(57)【要約】【課題】ｐ型半導体層側の発光層のみならずｎ型半導体層側の活性層においても電流注入による発光、又は、受光が行われる新規な窒化物半導体素子を提供すること。【解決手段】ｎ型半導体層２ｎ及びｐ型半導体層２ｐを備えた窒化物半導体素子において、窒化物半導体により形成された発光又は受光のための活性層がｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間に複数配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記活性層同士の間に配置されている。前記複数の活性層は、電流と光とを変換するようにされている。前記窒化物半導体素子には、発光層１１，１２，１３を有する窒化物半導体発光素子１Ａ、及び、受光層２１，２２を有する窒化物半導体受光素子１Ｂが含まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備えた窒化物半導体素子において、
窒化物半導体により形成された発光又は受光のための活性層が前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記活性層同士の間に配置され、
前記複数の活性層が電流と光とを変換するようにされた、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記活性層が量子井戸構造又は量子ドット構造を有する窒化物半導体により形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記複数の活性層に含まれる第一活性層及び第二活性層の波長に対する発光又は受光の強度スペクトルが互いに異なっている、請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第一活性層及び前記第二活性層の発光又は受光のピーク波長が互いに異なり、
前記第一活性層と前記第二活性層の一方の前記ピーク波長が４００〜５００ｎｍであり、他方の前記ピーク波長が５００〜７００ｎｍである、請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記中間層のアクセプタ不純物は、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、及び、バリウムの中から選ばれる一種以上の不純物である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記ｐ型半導体層にアクセプタ不純物が添加され、
前記中間層のアクセプタ不純物の添加濃度が前記ｐ型半導体層のアクセプタ不純物の添加濃度よりも小さい、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記中間層のアクセプタ不純物の添加濃度が７×１０18ｃｍ-3以下である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記中間層の厚さが前記活性層の厚さ以上である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記中間層の厚さが４０ｎｍ以上である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記中間層の厚さが７０ｎｍ以上である、請求項９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備えた窒化物半導体発光素子において、
窒化物半導体により形成された発光層が前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記発光層同士の間に配置され、
前記複数の発光層が発光するようにされた、窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備えた窒化物半導体受光素子において、
窒化物半導体により形成された受光層が前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記受光層同士の間に配置され、
前記複数の受光層が光電変換を行うようにされた、窒化物半導体受光素子。
【請求項１３】
ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を形成する工程を備えた窒化物半導体素子の製造方法において、
窒化物半導体である発光又は受光のための複数の活性層に含まれる第一活性層を前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間となる部分に形成する工程と、
アクセプタ不純物を前記複数の活性層が電流と光とを変換する濃度で添加した窒化物半導体である中間層を前記第一活性層上に形成する工程と、
前記複数の活性層に含まれる第二活性層を前記中間層上に形成する工程とを備えた、窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子、窒化物半導体発光素子、窒化物半導体受光素子、及び、窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体素子として、ＬＥＤ（発光ダイオード）、半導体レーザ、太陽電池、等が知られている。近年開発された白色ＬＥＤは、例えば、青色発光層を備えた青色ＬＥＤの周囲に黄色蛍光体粉末が塗布されている。この種の白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤから発せられた青色光で黄色蛍光体を励起させ、これにより発生する黄色光と前記青色光とを混色する。青色発光層及び黄色蛍光体から発せられる光は波長に対して決まったＥＬ（エレクトロルミネッセンス）スペクトルを有している。
【０００３】
また、特許文献１に記載の白色ＬＥＤは、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層、窒化物エピタキシャル発光層、非化学量論組成を有するｎ型窒化物半導体発光層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、及び、ｎ型電極層が順に積層されている。窒化物エピタキシャル発光層は、ＧａＮバッファ層上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層、ｐ型ＧａＮクラッド層、化学量論組成を有するＩｎＧａＮ活性層、及び、ｎ型ＧａＮクラッド層が順に積層されている。すなわち、ｎ型窒化物半導体発光層は、ｎ型ＧａＮクラッド層上に直接、積層されている。ｐ型ＧａＮクラッド層とｎ型ＧａＮクラッド層とで挟まれた窒化物エピタキシャル発光層は、電流注入によって波長４００〜４８５ｎｍの青色光を発する。ｎ型ＧａＮクラッド層上のｎ型窒化物半導体発光層は、前記青色光を吸収し、いわゆる深い準位の発光により波長５５０〜５８０ｎｍの黄色光を発する。窒化物エピタキシャル発光層及びｎ型窒化物半導体発光層から発せられる光は波長に対して決まったＥＬスペクトルを有している。
近年、白色光源や太陽電池のように、スペクトル幅の広い発光あるいは受光素子が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記黄色蛍光体は、白色ＬＥＤの寿命を低下させることがある。また、特許文献１に記載の白色ＬＥＤは、半導体のみによる完全固体素子であるものの、一度発光した光を再度吸収させて、エネルギー的に低い光を発光させているという多数の工程を踏むことから、効率の面で不利である。さらに、黄色蛍光体を用いた白色ＬＥＤにしても、特許文献１に記載の白色ＬＥＤにしても、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に一種類の青色発光層しかないため、発光量に限界がある。従って、スペクトル幅の広い発光あるいは受光を半導体のみによる完全固体素子として実現することができると、長寿命化、高効率化、及び、低コスト化が期待される。
しかし、単にｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に複数の発光層を配置しても、ｎ型クラッド層側の発光層まで正孔が移動せず、ｎ型クラッド層側の発光層から光が発せられない。これは、窒化物半導体の場合、正孔の有効質量が他の一般的な半導体と比べて非常に大きいためと考えられる。
【０００６】
なお、上述した問題は、青色光を黄色光に変換する白色ＬＥＤ以外のＬＥＤや半導体レーザといった窒化物半導体発光素子、太陽電池といった窒化物半導体受光素子、等の窒化物半導体素子に存在する。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決する新規な窒化物半導体素子、及び、その製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備えた窒化物半導体素子において、
窒化物半導体により形成された発光又は受光のための活性層が前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記活性層同士の間に配置され、
前記複数の活性層が電流と光とを変換するようにされた、態様を有する。
【０００９】
すなわち、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に配置された活性層同士の間には、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が配置されている。本窒化物半導体素子は、ｐ型半導体層側の活性層のみならずｎ型半導体層側の活性層でも電流と光とを変換する。従って、本態様は、ｎ型半導体層側の活性層においても電流注入による発光、又は、受光が行われる新規な窒化物半導体素子を提供することができる。
【００１０】
ここで、前記活性層は発光層でもよく、前記窒化物半導体素子は窒化物半導体発光素子を含む。
すなわち、本発明は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備えた窒化物半導体発光素子において、
窒化物半導体により形成された発光層が前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記発光層同士の間に配置され、
前記複数の発光層が発光するようにされた、態様を有する。
本態様は、ｎ型半導体層側の発光層においても電流注入により光を発する新規な窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【００１１】
また、前記活性層は受光層でもよく、前記窒化物半導体素子は窒化物半導体受光素子を含む。
すなわち、本発明は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を備えた窒化物半導体受光素子において、
窒化物半導体により形成された受光層が前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に複数配置され、
アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層が前記受光層同士の間に配置され、
前記複数の受光層が光電変換を行うようにされた、態様を有する。
本態様は、ｎ型半導体層側の受光層においても光が電流に変換される新規な窒化物半導体受光素子を提供することができる。
【００１２】
さらに、本発明は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を形成する工程を備えた窒化物半導体素子の製造方法において、
窒化物半導体である発光又は受光のための複数の活性層に含まれる第一活性層を前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間となる部分に形成する工程と、
アクセプタ不純物を前記複数の活性層が電流と光とを変換する濃度で添加した窒化物半導体である中間層を前記第一活性層上に形成する工程と、
前記複数の活性層に含まれる第二活性層を前記中間層上に形成する工程とを備えた、態様を有する。
本態様は、ｎ型半導体層側の活性層においても電流注入による発光、又は、受光が行われる新規な窒化物半導体素子の製造方法を提供することができる。
【００１３】
ここで、ｎ型半導体層とｐ型半導体層のいずれか一方と活性層とは、接していてもよいし、これらの層とは別の層を介して配置されてもよい。
中間層は、単層のみならず、複数の層とされてもよい。
中間層に添加されるアクセプタ不純物は、中間層の一部に偏って存在してもよい。
【００１４】
前記活性層が量子井戸構造又は量子ドット構造を有する窒化物半導体により形成されている態様は、ｎ型半導体層側の活性層でも発光又は受光が行われる好ましい窒化物半導体素子を提供することができる。
【００１５】
複数の活性層の波長に対する発光又は受光の強度スペクトルは同じでもよいが、複数の活性層に含まれる第一活性層及び第二活性層の発光又は受光の強度スペクトルが互いに異なっていてもよい。本態様は、窒化物半導体素子全体として発光又は受光の強度スペクトルのバリエーションを増やすことができる。
【００１６】
ここで、発光又は受光の強度スペクトルが異なることには、発光又は受光のピーク強度が異なること、発光又は受光のピーク波長が異なること、発光又は受光の強度スペクトルの半値幅が異なること、が含まれる。第一活性層及び第二活性層の発光又は受光のピーク波長が互いに異なる態様は、広い波長域の発光又は受光の強度スペクトルを有する新規な窒化物半導体素子を提供することができる。
【００１７】
前記中間層のアクセプタ不純物は、短周期型周期表のII族元素が好ましい。具体的にいうと、前記中間層のアクセプタ不純物は、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、及び、Ｂａ（バリウム）の中から選ばれる一種以上の不純物が好ましい。本態様は、ｎ型半導体層側の活性層でも発光又は受光が行われる好ましい窒化物半導体素子を提供することができる。
【００１８】
前記中間層のアクセプタ不純物の添加濃度は、前記ｐ型半導体層のアクセプタ不純物の添加濃度よりも小さい添加濃度が好ましい。本態様も、ｎ型半導体層側の活性層でも発光又は受光が行われる好ましい窒化物半導体素子を提供することができる。
【００１９】
前記中間層の厚さは、前記活性層の厚さ以上が好ましく、具体的には、４０ｎｍ以上が好ましく、７０ｎｍ以上がより好ましい。本態様も、ｎ型半導体層側の活性層でも発光又は受光が行われる好ましい窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】窒化物半導体発光素子１Ａの構造を模式的に例示する図である。
【図２】窒化物半導体発光素子１Ａの製造方法の例を説明するための図である。
【図３】窒化物半導体受光素子１Ｂの構造を模式的に例示する図である。
【図４】発光層を３層有する窒化物半導体発光素子１Ａの構造を模式的に例示する図である。
【図５】面発光レーザの概念を模式的に例示する図である。
【図６】実施例１のＩｎとＭｇの濃度プロファイルの測定結果を示す図である。
【図７】比較例２のＩｎとＭｇの濃度プロファイルの測定結果を示す図である。
【図８】各素子サンプルの発光スペクトルの測定結果を示す図である。
【図９】比較例に係る窒化物半導体発光素子の構造を模式的に示す図である。
【図１０】別の比較例に係る窒化物半導体発光素子の構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
まず、実施形態に内在する種々の発明に想到した背景を説明する。
近年、白色光源や太陽電池のように、スペクトル幅の広い発光あるいは受光素子が望まれている。多くの白色ＬＥＤに用いられている黄色蛍光体は白色ＬＥＤの寿命を低下させることがあり、発光効率、寿命、及び、コストの面で不利である。従って、窒化物半導体素子において、スペクトル幅の広い発光あるいは受光を半導体のみによる完全固体素子として実現すれば、高効率、長寿命、及び、低コストの新規な窒化物半導体素子を提供することができる。
【００２２】
しかし、単にｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に複数の発光層を配置しても、他の一般的な半導体と比べて有効質量が非常に大きい正孔のために、ｎ型半導体層側の発光層まで正孔が移動せず、ｐ型半導体層側の発光層しか発光しない。この技術常識を打破することが課題である。
なお、特開2004-335716号公報に記載の白色ＬＥＤは、一度発光した光を半導体に吸収させて、エネルギー的に低い光を発光させているという多数の工程を踏むことから、効率の面で不利である。また、同公報には、各波長における発光強度比（バランス）を所望の値に調整する具体的な手段の開示がない。
【００２３】
以上の背景の下、本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態に内在する技術は、一つの素子の活性層、すなわち、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とに直接挟まれた活性層が一つであるという技術常識を覆す点で極めて高い新規性を有する。むろん、以下の実施形態は、本発明を例示するものに過ぎない。
なお、化学式で表される組成比は化学量論比を示し、化学式で表される物質には化学量論比から外れたものも含まれる。
【００２４】
（１）窒化物半導体素子の構造：
図１は、窒化物半導体素子の第一の例である窒化物半導体発光素子１Ａの構造を模式的に示している。この窒化物半導体発光素子１Ａは、窒化物半導体により形成された発光層（活性層）１１，１２がｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間に配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層１６が発光層１１，１２の間に配置されている。これにより、窒化物半導体発光素子１Ａは、複数の発光層１１，１２が発光するようにされている。また、ｎ型半導体層２ｎ上にｎ−電極３ｎが形成され、ｐ型半導体層２ｐ上にｐ−電極３ｐが形成されている。
【００２５】
図１に示すｎ型半導体層２ｎは、複数の活性層に含まれる第一発光層（第一活性層）１１を被覆するｎ型クラッド層である。ｎ型半導体層には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）といったIII族窒化物半導体ＡｌaＧａbＩｎcＮd（化学量論比で０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｄ＝１）等を用いることができる。ｎ型伝導を示すように半導体に添加するドナー不純物は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの中から選ばれる一種以上の元素等を用いることができる。ドナー不純物の添加濃度は、例えば、５×１０18ｃｍ-3程度といった５×１０17ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3程度とすることができる。ｎ型半導体層２ｎは、発光した光の吸収が少なく、電子を発光層１１，１２へ供給するように、発光層１１，１２よりバンドギャップが大きければよい。ｎ型半導体層の厚さは、例えば、２〜３μｍ程度とすることができる。
【００２６】
図１に示すｐ型半導体層２ｐは、複数の活性層に含まれる第二発光層（第二活性層）１２を被覆するｐ型クラッド層である。ｐ型半導体層には、例えば、ＧａＮやＡｌＧａＮといったIII族窒化物半導体ＡｌaＧａbＩｎcＮd（化学量論比で０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｄ＝１）等を用いることができる。ｐ型伝導を示すように半導体に添加するアクセプタ不純物は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、及び、Ｂａ（バリウム）の中から選ばれる一種以上の元素等を用いることができる。アクセプタ不純物の添加濃度は、例えば、２×１０19ｃｍ-3程度といった１×１０19ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3程度とすることができる。ｐ型半導体層２ｐは、発光した光の吸収が少なく、正孔を発光層１１，１２へ供給するように、発光層１１，１２よりバンドギャップが大きければよい。ｐ型半導体層の厚さは、例えば、５０〜１０００ｎｍ程度とすることができる。
【００２７】
図１に示す発光層１１，１２は、計３層の井戸層１４に計２層の隔壁層１５が挿入された、すなわち、井戸層１４同士が障壁層１５を介して積層された量子井戸構造Ｓ１を有する窒化物半導体により形成されている。発光層は、電流注入、すなわち、電子と正孔を注入して再結合させることで光を発生させる活性層である。発光層は、量子ドット構造を有する窒化物半導体により形成されてもよい。
【００２８】
井戸層１４は、III族窒化物半導体により形成される量子井戸の層であり、例えば、窒化ガリウムインジウムＧａxＩｎyＮz（化学量論比で０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１、ｚ＝１）等を用いることができる。Ｉｎの組成比ｙを変化させると、発光層の中心波長を変えることができる。井戸層１４の厚さは、例えば、２〜５ｎｍ程度とすることができる。
隔壁層１５には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）といったIII族窒化物半導体を用いることができる。隔壁層１５の厚さは、例えば、６〜１５ｎｍ程度とすることができる。
【００２９】
発光層の材料、組成、層厚、井戸数、等は、必要な発光波長に応じて各々決定すれば良い。例えば、ＧａＩｎＮ井戸数が３層、各井戸層厚が３ｎｍ、各ＧａＮ隔壁層厚が１５ｎｍである場合、発光層を中心波長４１０ｎｍ（紫色）、４６０ｎｍ（青色）、５２０ｎｍ（緑色）、５７０ｎｍ（黄色）、６００ｎｍ（赤色）で発光させるためには、それぞれ、Ｉｎ組成比ｙを約０．１（１０％）、約０．１５（１５％）、約０．２（２０％）、約０．３（３０％）、約０．３５（３５％）にすればよい。
【００３０】
本窒化物半導体発光素子１Ａは、ｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとで挟まれた複数の発光層１１，１２が電流注入によりそれぞれ発光する。図９に示す比較例の窒化物半導体発光素子のようにｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間に１層の発光層１１しか無い場合、発光量に限界がある。本窒化物半導体発光素子１Ａは、ｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間に複数の発光層１１，１２があるため、図９に示す比較例と比べて発光量を増やすことが可能になる。これは、ｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間で各発光層１１，１２が並列接続されたような状態となり、各発光層１１，１２が図９に示す比較例の発光層と同等の発光量で発光することが可能になるためと推測される。
【００３１】
図１に示す中間層１６は、発光層１１，１２の間に配置され、各発光層を区画する。中間層は、発光波長を吸収しない程度の大きさのバンドギャップを持つ材料を選択すればよく、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、といったIII族窒化物半導体を用いることができる0。例えば、３６５ｎｍ以上の波長を吸収しないようにするためには、ＧａＮを用いることができる。発光波長が長い場合には、バンドギャップのより小さいＧａＩｎＮを用いてもよい。発光波長が短い場合には、バンドギャップの大きいＡｌＧａＮを用いてもよい。
【００３２】
ｎ型半導体層２ｎ側の発光層（活性層）１１が電流注入により発光するためには、中間層１６にアクセプタ不純物を添加する必要がある。
まず、中間層にアクセプタ不純物を添加しない場合に生じる現象を図１０の比較例を用いて説明する。
【００３３】
各発光層１１，１２が発光するためには、ｐ型半導体層２ｐから移動してくる正孔とｎ型半導体層２ｎから移動してくる電子とが各発光層１１，１２で結合する必要がある。ここで、正孔を丸で囲んだ「＋」で模式的に示し、電子を丸で囲んだ「−」で模式的に示している。
正孔は、電子と比べて有効質量が大きく移動度が低い。特に、窒化物半導体の場合、他の一般的な半導体と比べて、正孔の有効質量が非常に大きい。従って、中間層９１６にアクセプタ不純物を添加しない場合、正孔と電子とがｐ型半導体層２ｐ側の発光層１２で結合して発光層１２のみ発光し、ｎ型半導体層２ｎ側の発光層１１に正孔が供給されず、発光層１１は発光しない。
【００３４】
一方、図１に示す窒化物半導体発光素子１Ａのように、中間層１６にアクセプタ不純物を添加すると、ｐ型半導体層２ｐ側の発光層１２のみならず、ｎ型半導体層２ｎ側の発光層１１も発光する。これは、正孔がｐ型半導体層側の発光層１２のみならずｎ型半導体層側の発光層１１にまで移動して電子と結合するためと推測される。
【００３５】
中間層１６に添加するアクセプタ不純物は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及び、Ｂａの中から選ばれる一種以上の元素が好ましく、Ｍｇ、Ｚｎ、及び、Ｂｅの中から選ばれる一種以上の元素がさらに好ましい。このようなアクセプタ不純物を中間層１６に添加すると、ｎ型半導体層側の発光層１１を好ましく発光させることができる。
窒化物半導体に用いるアクセプタ不純物は、通常、Ｍｇが良く用いられる。これは、アクセプタ不純物となるII族元素においては、Ｍｇが最も小さい活性化エネルギーを示し、比較的高い正孔濃度を実現できるからである。本発明者らは、このような技術常識に反し、窒化物半導体中間層にアクセプタ不純物としてＺｎを添加することにより良好な素子が得られる可能性を見い出している。ＺｎはＭｇに比べ、活性化エネルギーが大きいため、アクセプタ不純物としてみれば、正孔濃度の観点で劣る。一方で、Ｍｇは非発光センターを形成して発光効率を低下させるが、Ｚｎは発光センターを形成するため、発光効率の低下が生じない。本発明では、活性層付近へのアクセプタ不純物添加が必要であり、Ｚｎが、活性層の品質を低下させずにアクセプタ不純物が添加できるという点で期待される。
【００３６】
中間層１６のアクセプタ不純物の添加濃度（Ｃ1ｃｍ-3とする。）は、中間層１６を好ましくｐ型にする点から１×１０17ｃｍ-3以上であればよく、ｎ型半導体層側の発光層１１を好ましく発光させる点から１×１０18ｃｍ-3以上が好ましい。また、アクセプタ不純物の添加濃度Ｃ1は、ｐ型半導体層２ｐ側の発光層１２を発光させる点からｐ型半導体層２ｐのアクセプタ不純物の添加濃度（Ｃ0ｃｍ-3とする。）よりも小さい添加濃度が好ましく、具体的には７×１０18ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０18ｃｍ-3以下がより好ましい。ただし、長周期型周期表の２族元素とは異なるＺｎの添加濃度は、１×１０20ｃｍ-3以下が好ましく、７×１０19ｃｍ-3以下がより好ましく、５×１０19ｃｍ-3以下がさらに好ましい。Ｚｎの下限側の添加濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上が好ましく、１×１０19ｃｍ-3以上がさらに好ましい。
アクセプタ不純物の添加濃度Ｃ1を上述した範囲内にすると、ｐ型半導体層側の発光層１２のみならずｎ型半導体層側の発光層１１も発光させることができる。０＜Ｃ1＜Ｃ0において、添加濃度Ｃ1を大きくするほどｎ型半導体層側の発光層１１の発光量が多くなってｐ型半導体層側の発光層１２の発光量が少なくなる傾向があり、添加濃度Ｃ1を小さくするほどｎ型半導体層側の発光層１１の発光量が少なくなってｐ型半導体層側の発光層１２の発光量が多くなる傾向がある。従って、添加濃度Ｃ1を調節することにより、各発光層１１，１２の発光量を調整することができる。例えば、中間層１６の両隣の発光層１１，１２に電子と正孔がバランスよく供給されるように中間層１６のアクセプタ不純物の添加濃度を調節すると、発光層１１，１２をバランスよく発光させることができる。
【００３７】
中間層１６の厚さＴ1は、各発光層１１，１２を明瞭に区別する点から発光層１層分の厚さと同等以上が好ましく、具体的には、４０ｎｍ以上が好ましい。特に、中間層の厚さを７０ｎｍ以上にすると、アクセプタ不純物であるＭｇのメモリー効果の影響を十分抑制することができるのでさらに好ましい。また、中間層１６の厚さを２００ｎｍ以下にすると、素子抵抗が増えすぎず、駆動電圧の上昇が抑制される。
【００３８】
中間層１６を挟む発光層１１，１２の波長に対する発光の強度スペクトルは同じでもよいが、発光層１１，１２の発光の強度スペクトルが互いに異なっていてもよい。この強度スペクトルには、ピーク強度、ピーク波長、及び、半値幅が含まれる。各発光層１１，１２の強度スペクトルが互いに異なると、窒化物半導体発光素子全体として発光の強度スペクトルのバリエーションを増やすことができる。特に、各発光層１１，１２の発光のピーク波長が互いに異なると、窒化物半導体発光素子から発せられる光を広波長域化することができる。例えば、発光層１１，１２の一方のピーク波長を４００〜５００ｎｍに設定し、他方のピーク波長を５００〜７００ｎｍに設定すると、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）蛍光体といった蛍光体を用いない超寿命、高効率、及び、低コストの白色ＬＥＤを提供することができる。
【００３９】
なお、図１に示すｎ−電極３ｎには、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）などを組み合わせた一種以上の導電体等を用いることができる。図１に示すｐ−電極３ｐには、例えば、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）などを組み合わせた一種以上の導電体等を用いることができる。電極３ｎ，３ｐは、単層のみならず、複数の層とされてもよい。また、ｐ−電極３ｐにはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの透明導電膜を用いてもよい。
【００４０】
図２は、製造に好適な窒化物半導体発光素子１Ａの構造例を模式的に示している。この窒化物半導体発光素子１Ａは、基板４１上に低温堆積緩衝層４２、アンドープ半導体層４３、ｎ型半導体層２ｎ、第一発光層１１、中間層１６、第二発光層１２、ｐ型半導体層２ｐ、ｐ型コンタクト層４４、及び、ｐ−電極３ｐが順に積層されている。基板４１には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶基板、サファイア単結晶基板、等を用いることができる。低温堆積緩衝層４２には、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）といったIII族窒化物半導体等を用いることができる。アンドープ半導体層４３には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）といったIII族窒化物半導体等を用いることができる。ｐ型コンタクト層４４には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）といったIII族窒化物半導体等を用いることができる。
【００４１】
（２）窒化物半導体素子の製造方法：
次に、図２を参照して、窒化物半導体素子の製造方法の例を説明する。
基板４１上の各層は、例えば、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）といった気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）といった物理的蒸着法、等により形成することができる。
【００４２】
基板４１上に、低温堆積緩衝層４２、アンドープ半導体層４３、及び、ｎ型半導体層２ｎを順に設定厚さまで気相成長法により結晶成長させた後には、ｎ型半導体層２ｎ上に、井戸層１４、障壁層１５、井戸層１４、障壁層１５、井戸層１４を順に設定厚さまで気相成長法により結晶成長させることができる（第一活性層形成工程）。第一発光層１１上に中間層１６を設定厚さまで気相成長法により結晶成長させる際には、複数の発光層１１，１２が発光する濃度のアクセプタ不純物を窒化物半導体に添加する（中間層形成工程）。第二発光層１２を形成する際には、中間層１６上に、井戸層１４、障壁層１５、井戸層１４、障壁層１５、井戸層１４を順に設定厚さまで気相成長法により結晶成長させることができる（第二活性層形成工程）。第二発光層１２上にｐ型半導体層２ｐ及びｐ型コンタクト層４４を順に設定厚さまで気相成長法により結晶成長させた後には、例えば、以下の手順で、ｐ型層の活性化、およびｎ−電極３ｎ及びｐ−電極３ｐを形成することができる。
【００４３】
まず、ｐ型コンタクト層４４上にエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のｐ型コンタクト層４４、ｐ型半導体層２ｐ、第二発光層１２、中間層１６、及び、第一発光層１１を反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ型半導体層２ｎの表面の一部を露出させる。エッチングマスクを除去した後、ｐ型層活性化のために窒素あるいは酸素雰囲気下で500〜700℃において5〜30分熱処理を行う。続いて、このウエハの表面にフォトレジストを一様に塗布し、フォトリソグラフィにより、ｎ−電極３ｎ及びｐ−電極３ｐの形成部分のフォトレジストを除去する。次いで、露出したｎ型半導体層２ｎ及びｐ型コンタクト層４４の表面にそれぞれ真空蒸着法で設定厚さのｎ−電極３ｎ及びｐ−電極３ｐを形成する。その後、フォトレジストを除去することで電極の形成が完了する。
以上により、窒化物半導体発光素子１Ａを形成することができる。
【００４４】
なお、各層の厚みは、蒸着装置の処理時間等を変えることにより調整することができる。
【００４５】
（３）窒化物半導体素子の作用及び効果：
以下、窒化物半導体素子の作用及び効果を説明する。
図１，２に示す窒化物半導体発光素子１Ａは、図１０で示した比較例とは異なり、ｐ型半導体層２ｐ側の発光層１２のみならず、ｎ型半導体層２ｎ側の発光層１１も電流注入により発光する。これは、添加されたアクセプタ不純物により中間層１６がｐ型になり、ｎ型半導体層側の発光層１１に供給される電子と正孔とのバランスが調整されるためと推測される。
【００４６】
本窒化物半導体発光素子１Ａは、蛍光体を使用していないため、蛍光体を用いた窒化物半導体発光素子と比べて寿命を延ばすことができる。また、一度発光した光の一部を吸収させてエネルギー的に低い光に変換するという多数の工程が無いため、発光効率を向上させることができる。さらに、ｐ型半導体層２ｐ側の発光層１２のみならずｎ型半導体層２ｎ側の発光層１１も発光するため、図９，１０で示した比較例と比べて発光量を増やすことが可能になる。各発光層１１，１２の発光のピーク波長が互いに異なる場合、発せられる光を広波長域化することができる。従って、本窒化物半導体発光素子１Ａは、超寿命化、高効率化、広波長域化、低コスト化、等の有用な効果を得ることが可能である。
【００４７】
アプリケーションによっては、各発光層１１，１２の発光強度が等しくなく、様々な発光強度比を必要とする場合がある。この場合も、中間層１６のアクセプタ不純物濃度を適宜調整することで実現可能となる。具体的には、ｎ側に存在する第一発光層１１の発光の強度比を高めたい場合にはアクセプタ不純物濃度を高めに設定し、ｐ側に存在する第二発光層１２の発光の強度比を高めたい場合にはアクセプタ不純物濃度を低めに設定すればよい。
これまでＬＥＤ等の発光素子では一つの発光層からの発光しか得られなかったが、本技術により二つ以上の発光層からの発光を得ることができる。このため、これまでＬＥＤが苦手としてきた広い発光スペクトルを必要とするアプリケーションへの応用が可能になる。
【００４８】
（４）第二の例：
次に、二つの発光層を有する窒化物半導体発光素子の第二の例である白色ＬＥＤについて説明する。本白色ＬＥＤの基本的な構造は図１，２と同様であるので、図１，２を参照して説明する。また、各層の材料も第一の例で述べた材料を用いることができ、各層の厚さも第一の例で述べた厚さにすることができる。以下、より具体的な例を述べる。
【００４９】
発光層１１，１２は、例えば、三つの窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）量子井戸層１４と二つのＧａＮ障壁層１５で構成されるＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸発光層により形成することができる。例えば、第一発光層１１は中心波長４６０ｎｍ（青色）で発光し、第二発光層１２は中心波長５７０ｎｍ（黄色）で発光するように形成する。第一発光層１１のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比は、約１５％にすればよい。第二発光層１２のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比は、約３０％にすればよい。むろん、第一発光層が中心波長５７０ｎｍで発光し、第二発光層が中心波長４６０ｎｍで発光してもよい。黄色の発光層においては、発光効率をより高くできる量子ドット発光層を用いてもよい。
【００５０】
中間層１６は、例えば、アクセプタ不純物としてＺｎを添加したＧａＩｎＮ層により形成することができる。ＧａＩｎＮ層のＩｎの組成比は、約２％にすればよい。Ｚｎは、Ｍｇに比べ、活性化エネルギーが大きく、同じアクセプタ不純物濃度でも正孔を生成しにくいため、Ｍｇに比べ多めのアクセプタ不純物濃度にすると良い。このことを考慮して、Ｚｎの添加濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上（より好ましくは１×１０19ｃｍ-3以上）、かつ、１×１０20ｃｍ-3以下（より好ましくは７×１０19ｃｍ-3以下、さらに好ましくは５×１０19ｃｍ-3以下）が好ましい。Ｚｎは、Ｍｇに比べメモリー効果が少なくため、残留Ｚｎの取り込みが少ない。さらに、Ｚｎは、発光層に取り込まれても発光層の品質を低下させることがほとんどない。従って、層構造によってはＺｎがＭｇより使いやすい場合がある。
【００５１】
以上の素子構造の白色ＬＥＤは、蛍光体を全く使用しないため、効率、寿命、及び、コストの全ての面で優れた白色光源となる。
【００５２】
（５）第三の例：
図３は、窒化物半導体素子の第三の例である窒化物半導体受光素子１Ｂの構造を模式的に示している。この窒化物半導体受光素子１Ｂは、窒化物半導体により形成された受光層（活性層）２１，２２がｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間に配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層２６が受光層２１，２２の間に配置されている。これにより、窒化物半導体受光素子１Ｂは、複数の受光層２１，１２が光電変換を行うようにされている。また、ｎ型半導体層２ｎ上にｎ−電極３ｎが形成され、ｐ型半導体層２ｐ上にｐ−電極３ｐが形成されている。
ｎ型半導体層２ｎ、ｐ型半導体層２ｐ、ｎ−電極３ｎ、及び、ｐ−電極３ｐは、第一の例と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
受光層２１，２２には、例えば、窒化ガリウムインジウムＧａxＩｎyＮz（化学量論比で０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１、ｚ＝１）といったIII族窒化物半導体ＡｌaＧａbＩｎcＮd（化学量論比で０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、ｄ＝１）等を用いることができる。受光層２１，２２の厚さは、例えば、２０〜８０ｎｍ程度とすることができる。
【００５４】
受光層の材料、組成、層厚、等は、必要な受光波長に応じて各々決定すれば良い。例えば、ＧａＩｎＮ受光層を中心波長４１０ｎｍ（紫色）、４６０ｎｍ（青色）、５２０ｎｍ（緑色）、５７０ｎｍ（黄色）、６００ｎｍ（赤色）で受光させるためには、それぞれ、Ｉｎ組成比ｙを約０．１（１０％）、約０．１５（１５％）、約０．２（２０％）、約０．３（３０％）、約０．３５（３５％）にすればよい。
【００５５】
中間層２６は、受光層２１，２２の間に配置され、各受光層を区画する。受光層には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、といったIII族窒化物半導体を用いることができる。中間層２６に添加するアクセプタ不純物は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及び、Ｂａの中から選ばれる一種以上の元素が好ましく、Ｍｇ、Ｚｎ、及び、Ｂｅの中から選ばれる一種以上の元素がさらに好ましい。このようなアクセプタ不純物を中間層２６に添加すると、ｎ型半導体層側の受光層２１で光を電流に好ましく変換することができる。
【００５６】
中間層２６のアクセプタ不純物の添加濃度Ｃ1は、中間層２６を好ましくｐ型にする点から１×１０17以上であればよく、ｎ型半導体層側の受光層２１で光を電流に好ましく変換する点から１×１０18ｃｍ-3以上が好ましい。また、アクセプタ不純物の添加濃度Ｃ1は、ｐ型半導体層２ｐ側の受光層２２に光電変換を行わせる点からｐ型半導体層２ｐのアクセプタ不純物の添加濃度Ｃ0よりも小さい添加濃度が好ましく、具体的には７×１０18ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０18ｃｍ-3以下がより好ましい。ただし、Ｚｎの添加濃度は、１×１０20ｃｍ-3以下が好ましく、７×１０19ｃｍ-3以下がより好ましく、５×１０19ｃｍ-3以下がさらに好ましい。Ｚｎの下限側の添加濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上が好ましく、１×１０19ｃｍ-3以上がさらに好ましい。
アクセプタ不純物の添加濃度Ｃ1を上述した範囲内にすると、ｎ型半導体層側の受光層２１で光を電流に好ましく変換することができる。添加濃度Ｃ1を調節することにより、各受光層２１，２２の光電変換効率を調整することができる。
【００５７】
中間層２６の厚さＴ1は、各受光層２１，２２を明瞭に区別する点から受光層１層分の厚さと同等以上が好ましく、具体的には、４０ｎｍ以上が好ましい。特に、中間層の厚さを７０ｎｍ以上にすると、アクセプタ不純物であるＭｇのメモリー効果の影響を十分抑制することができるのでさらに好ましい。また、中間層２６の厚さを２００ｎｍ以下にすると、素子抵抗が増えすぎない。
【００５８】
中間層２６を挟む受光層２１，２２の波長に対する受光の強度スペクトルは同じでもよいが、受光層２１，２２の受光の強度スペクトルが互いに異なっていてもよい。この強度スペクトルには、ピーク強度、ピーク波長、及び、半値幅が含まれる。各受光層２１，２２の強度スペクトルが互いに異なると、窒化物半導体発光素子全体として受光の強度スペクトルのバリエーションを増やすことができる。特に、各受光層２１，２２の受光のピーク波長が互いに異なると、窒化物半導体受光素子で光電変換される光を広波長域化することができる。
【００５９】
窒化物半導体受光素子１Ｂは、窒化物半導体発光素子１Ａと同様の製造方法により製造することができる。
【００６０】
本窒化物半導体受光素子１Ｂは、ｐ型半導体層２ｐ側の受光層２２のみならずｎ型半導体層２ｎ側の受光層２１で光が電流に変換されるため、受光量を増やすことが可能になる。各受光層２１，２２の受光のピーク波長が互いに異なる場合、電流に変換される光を広波長域化することができる。このように、本技術は、広いスペクトル及び十分な吸収量に対応した複数の受光層を形成することができる。従って、本窒化物半導体受光素子１Ｂは、高効率化、広波長域化、低コスト化、等の有用な効果を得ることが可能であり、例えば、太陽電池としても高い変換効率を有する受光素子となる。
【００６１】
（６）第四の例：
図４は、窒化物半導体素子の第四の例である窒化物半導体発光素子１Ａの構造を模式的に示している。この窒化物半導体発光素子１Ａは、窒化物半導体により形成された発光層１１，１２，１３がｎ型半導体層２ｎとｐ型半導体層２ｐとの間に配置され、アクセプタ不純物を添加した窒化物半導体により形成された中間層１６，１７が発光層同士の間に配置されている。これにより、窒化物半導体発光素子１Ａは、複数の発光層１１，１２，１３が発光するようにされている。なお、各層の材料は第一の例で述べた材料を用いることができ、発光層１３の材料は発光層１１，１２に使用可能な材料を用いることができ、中間層１７の材料は中間層１６に使用可能な材料を用いることができる。また、各層の厚さも第一の例で述べた厚さにすることができ、発光層１３の厚さも発光層１１，１２に適用可能な厚さにすることができ、中間層１７の厚さも中間層１６に適用可能な厚さにすることができる。以下、より具体的な例を述べる。
【００６２】
発光層１１，１２，１３は、例えば、二つの窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）量子井戸層１４と一つのＧａＮ障壁層１５で構成されるＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸発光層により形成することができる。例えば、発光層１１は中心波長４６０ｎｍ（青色）で発光し、発光層１２は中心波長５２０ｎｍ（緑色）で発光し、発光層１３は中心波長６００ｎｍ（赤色）で発光するように形成する。発光層１１のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比は、約１５％にすればよい。発光層１２のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比は、約２０％にすればよい。発光層１３のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比は、約３５％にすればよい。むろん、発光層１１が中心波長５２０又は６００ｎｍで発光してもよいし、発光層１２が中心波長４６０又は６００ｎｍで発光してもよいし、発光層１３が中心波長４６０又は５２０ｎｍで発光してもよい。これらの中心波長の光はＲＧＢ三原色に相当するので、より演色性の高い白色ＬＥＤが実現できる。
【００６３】
中間層１６のアクセプタ不純物の添加濃度Ｃ1、及び、中間層１７のアクセプタ不純物の添加濃度Ｃ2は、例えば、各発光層１１，１２，１３の発光バランスを考慮して、０＜Ｃ1＜Ｃ2＜Ｃ0に設定してもよい。ここで、Ｃ0は、ｐ型半導体層２ｐのアクセプタ不純物の添加濃度である。むろん、各中間層のアクセプタ不純物濃度は、各発光層の発光強度比に従って設定すればよい。
【００６４】
本例の窒化物半導体発光素子も、第一の例の窒化物半導体発光素子と同様の製造方法により製造することができる。なお、本例の製造方法の場合、複数の発光層に含まれる第一発光層は、発光層１１でもよいし、発光層１２でもよい。第一発光層が発光層１１である場合、複数の発光層に含まれる第二発光層は、発光層１２でもよいし、発光層１３でもよい。
本例は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に３層の発光層があるため、発光量をさらに増やすことが可能になる。また、各発光層の発光のピーク波長が互いに異なる場合、発せられる光をさらに広波長域化することができる。
【００６５】
なお、窒化物半導体受光素子についても、中間層を介した３層以上の受光層をｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に形成すると、受光量をさらに増やすことが可能になる。また、各受光層の受光のピーク波長が互いに異なる場合、電流に変換する光をさらに広波長域化することができる。
【００６６】
（７）第五の例：
図５は、窒化物半導体素子の第五の例である面発光レーザ（窒化物半導体発光素子）の概念を模式的に示している。面発光レーザは、原理的にはＬＥＤのような発光層を有する発光素子に多層膜反射鏡等で形成する垂直共振器を加えた構造であり、垂直方向にレーザ発振可能な半導体レーザである。垂直方向に光を共振させることから、利得を生じる発光層を垂直方向に多数配置することで、レーザとしての性能が向上する。実際には、図５の概念図に示すように共振器内では光の定在波が存在し、周期的な光の強度分布が生じる。この強度分布のため、発光層をやみくもに多数配置しても、光強度が存在しない領域（定在波の節）に配置された発光層はレーザ発振に寄与しない。よって、共振器内に存在する光強度のピーク（定在波の腹）位置に発光層を配置して光とキャリアの相互作用を高める必要がある。ゆえに、活性層間に光強度分布に応じた適切な厚さの中間層を設ける必要がある。
【００６７】
図５に示すように発光層を二つ配置する場合を考えると、発光層間の距離は、その中心位置間においてλ／２ｎだけ離す必要がある。ここで、λは発振波長、ｎはその波長における屈折率である。例えば、発振波長が４００ｎｍである場合、その波長でのＧａＮの屈折率は２．５であることから、発光層間の距離は８０ｎｍになる。発振波長４００ｎｍで発光する発光層として、ＧａＩｎＮ井戸層の厚さが３ｎｍ、ＧａＮ障壁層の厚さが６ｎｍであるＧａＩｎＮ／ＧａＮ三重量子井戸発光層を用いた場合、発光層厚は２１ｎｍである。この場合、発光層の端から端の厚さ、いわゆる中間層の厚さは５９ｎｍになる。
【００６８】
本例は、二つの発光層の発光波長が同じ４００ｎｍであり、同じ発光層構造である。また、中間層全体にＭｇといったアクセプタ不純物を添加する必要はない。中間層において発光層と隣接する領域１６ａ、例えば１０ｎｍ程度はアクセプタ不純物を添加しない領域を設けて、中間層の中間領域１６ｂのみにアクセプタ不純物を添加することでアクセプタ不純物の不必要な拡散を防いでも良い。
【００６９】
アクセプタ不純物を添加した中間層を設けない場合、十分な電子と正孔が供給されずに発光しない発光層が生じる。この場合、発光しない発光層は他の発光層で発光した光を吸収する吸収層となってしまうため、共振器内での大きな光損失になり、発振しきい値電流の増大や外部微分量子効率の低下、すなわちレーザ素子の性能低下の原因となってしまう。本例は、複数の発光層からの発光が実現し、利得を生じる発光層厚を実質的に厚くすることが可能になり、レーザ素子の性能向上が実現する。
【００７０】
（８）実施例：
以下、実施例を示して具体的に本発明を説明するが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
【００７１】
図２で示したように、基板４１上に、低温堆積緩衝層４２、ｎ型ＧａＮコンタクト層４３、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ半導体層２ｎ、厚さ約４０ｎｍの第一発光層１１、厚さ４０ｎｍの中間層１６、厚さ約４０ｎｍの第二発光層１２、及び、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ半導体層２ｐをＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させた。ｎ型ＧａＮ半導体層２ｎでは、Ｓｉをドナー不純物として１×１０18ｃｍ-3添加した。ｐ型ＧａＮ半導体層２ｐでは、Ｍｇをアクセプタ不純物としてＣ0＝２×１０19ｃｍ-3を目標に添加した。発光層１１，１２は、厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ井戸層の３層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層の２層で構成し、各層をＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させた。第一発光層の各井戸層のＩｎ組成比を約１０％にして第一発光層が中心波長４１０ｎｍで発光するようにした。また、第二発光層の各井戸層のＩｎ組成比を約１５％にして第二発光層が中心波長４６０ｎｍで発光するようにした。中間層は、下記濃度を目標としてＭｇを添加したＧａＮで形成した。
【表１】
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各層の結晶成長終了後、ｐ型活性化アニール、エッチング、電極蒸着、等を行って、電流注入によって発光する窒化物半導体発光素子サンプルを形成した。
【００７２】
図６，７は、実施例１及び比較例２の素子サンプルについてＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）による深さ方向のＩｎとＭｇの濃度プロファイルの分析結果を示している。ここで、横軸はｐ型ＧａＮ半導体層表面からの深さ（単位：ｎｍ）、右側の縦軸は強度（単位：カウント）、左側の縦軸は元素濃度（単位：ｃｍ-3）を示し、「１Ｅ＋ｎ」（ｎは整数）は１×１０nを意味する。また、Ｉｎの濃度プロファイルを破線で示し、Ｍｇの濃度プロファイルを実線で示している。各発光層には各井戸層に対応した３つのＩｎ濃度ピークがみられ、実施例１の中間層のＭｇ濃度は５×１０18ｃｍ-3程度、比較例２の中間層のＭｇ濃度は１×１０19ｃｍ-3程度であった。Ｍｇのメモリー効果により、中間層上に形成される第二発光層には、Ｍｇの供給を実質的に停止しているにも関わらず、不必要なＭｇが取り込まれていることもわかる。図６より、中間層の厚さが約７０ｎｍあれば、不必要なＭｇの取り込みが大きく低減することがわかった。
【００７３】
図８は、各素子サンプルの発光スペクトルの測定結果を示す図である。実施例１と比較例２のＭｇ添加濃度は実測データであり、実施例２，３と比較例１のＭｇ添加濃度は成長条件により類推したデータである。発光スペクトルとして、光励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルと電流注入によるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルの双方を各素子サンプルについて示した。ここで、横軸は波長（単位：ｎｍ）、縦軸は発光強度（相対値）を示し、ＰＬスペクトルを細線で示し、ＥＬスペクトルを太線で示している。光励起では光によって電子と正孔が同じ場所に生成されるため、ＰＬスペクトルは、ＥＬスペクトルにおける電子及び正孔注入の影響がない発光スペクトルになる。五つの素子サンプルは、ほぼ同一のＰＬスペクトルが得られている。このことは、五つの素子サンプルの第一発光層及び第二発光層自体に大きな違いが無いことを意味する。ピーク波長が微妙に異なっているのは、結晶成長中に発光層の成長温度がずれ、それによりＩｎ組成が若干異なったためと考えられる。また、第一発光層のＰＬ強度が第二発光層のＰＬ強度に比べて弱いのは、第一発光層がｎ型半導体層側に存在するため、光励起による電子及び正孔生成量が第二発光層に比べて少なかったためと考えられる。
【００７４】
電子及び正孔注入の影響を受けるＥＬスペクトルをみると、比較例１ではｐ側に存在する第二発光層（中心波長４６０ｎｍ）が強く発光し、ｎ側に存在する第一発光層（中心波長４１０ｎｍ）の発光がみられなかった。これは、中間層のＭｇ濃度が０であるため、素子駆動時には中間層の電子濃度が正孔濃度を大幅に上回り、ｎ側の第一発光層への正孔供給量が少ないためと考えられる。また、比較例２では、ｎ側の第一発光層のみ発光した。これは、中間層のＭｇ濃度が１×１０19ｃｍ-3と高いため、素子駆動時に中間層の正孔濃度が電子濃度を大幅に上回り、ｐ側の第二活性層への電子供給量が少ないためと考えられる。
一方、実施例１では、第一発光層と第二発光層の双方で明瞭な発光が観測された。実施例２も、第一発光層と第二発光層の双方で明瞭な発光が観測された。実施例３は、第二発光層の発光が弱いものの、第一発光層と第二発光層の双方で発光が観測された。
以上のことから、中間層のＭｇ濃度が１×１０17〜７×１０18ｃｍ-3程度であれば、素子駆動時に中間層で電子と正孔がバランスよく存在し、両隣の発光層に電子と正孔をバランスよく供給できると考えられる。特に、中間層のＭｇ濃度が２×１０18〜５×１０18ｃｍ-3程度であれば、よりバランスよく電子と正孔を両発光層に供給できる。
【００７５】
以上より、発光層同士の間に配置された中間層にアクセプタ不純物を添加した窒化物半導体発光素子は、ｐ型半導体層側の発光層のみならずｎ型半導体層側の発光層においても電流注入により光を発する新規な発光素子であることが確認された。
【００７６】
（９）具体的に実施するための例：
次に、具体的に実施するための例をさらに示して本発明を説明するが、本発明は以下の例により限定されるものではない。
【００７７】
［上記第二の例を具体的に実施するための例］
第一発光層のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比を約１５％として第一発光層が中心波長４６０ｎｍ（青色）で発光するようにし、第二発光層のＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ組成比を約３０％として中心波長５７０ｎｍ（黄色）で発光するようにし、中間層にＺｎを１×１０19ｃｍ-3程度添加したＩｎ組成比２％のＧａＩｎＮを用いる以外は、実施例１と同じ条件で窒化物半導体発光素子サンプルを形成する。すなわち、各発光層は厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ井戸層の３層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層の２層で構成し、ＧａＩｎＮ中間層の厚さは４０ｎｍである。
本素子サンプルは、白色ＬＥＤサンプルであり、電極間に電圧を印加することにより、第二発光層からの黄色光と第一発光層からの青色光とを混色した白色光を発する。
【００７８】
［上記第三の例を具体的に実施するための例］
図２，３に示すように、基板上に、低温堆積緩衝層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ半導体層２ｎ、厚さ約４０ｎｍの第一受光層２１、厚さ４０ｎｍの中間層２６、厚さ約４０ｎｍの第二受光層２２、及び、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ半導体層２ｐをＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させる。第一受光層にＩｎ組成比約１５％のＧａＩｎＮを用いて中心波長４６０ｎｍ（青色）のＰＬスペクトルを持たせ、第二受光層にＩｎ組成比約３０％のＧａＩｎＮを用いて中心波長５７０ｎｍ（黄色）のＰＬスペクトルを持たせる以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体受光素子サンプルを形成する。
本素子サンプルは、入射する黄色光を第二受光層で電流に変換して外部へ出力可能であるとともに、入射する青色光を第一受光層で電流に変換して外部へ出力可能である。
【００７９】
［上記第四の例を具体的に実施するための例］
図２，４に示すように、基板上に、低温堆積緩衝層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ半導体層２ｎ、厚さ約２０ｎｍの発光層１１、厚さ７０ｎｍの中間層１６、厚さ約２０ｎｍの発光層１２、厚さ７０ｎｍの中間層１７、厚さ約２０ｎｍの発光層１３、及び、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ半導体層２ｐをＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させる。発光層１１，１２，１３は、厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ井戸層の２層と厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層の１層で構成し、各層をＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させる。発光層１１の各井戸層のＩｎ組成比を約１５％にして発光層１１が中心波長４６０ｎｍ（青色）で発光するようにする。発光層１２の各井戸層のＩｎ組成比を約２０％にして発光層１２が中心波長５２０ｎｍ（緑色）で発光するようにする。発光層１３の各井戸層のＩｎ組成比を約３５％にして発光層１３が中心波長６００ｎｍ（赤色）で発光するようにする。中間層１６は、ＭｇをＣ1＝１×１０18ｃｍ-3を目標に添加したＧａＮで形成する。中間層１７は、ＭｇをＣ2＝７×１０18ｃｍ-3を目標に添加したＧａＮで形成する。他は、実施例１と同じ条件で窒化物半導体発光素子サンプルを形成する。
【００８０】
本素子サンプルは、白色ＬＥＤサンプルであり、電極間に電圧を印加することにより、発光層１３からの赤色光と発光層１２からの緑色光と発光層１１からの青色光とを混色した演色性の高い白色光を発する。
【００８１】
［上記第五の例を具体的に実施するための例］
図２，５に示すように、基板上に、低温堆積緩衝層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ半導体層、厚さ２１ｎｍの第一発光層、厚さ５９ｎｍの中間層、厚さ２１ｎｍの第二発光層、及び、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ半導体層をＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させる。各発光層は、厚さ３ｎｍのＧａＩｎＮ井戸層の３層と厚さ６ｎｍのＧａＮ障壁層の２層で構成し、各層をＭＯＶＰＥ法にて順次結晶成長させる。各発光層の各井戸層のＩｎ組成比を約９％にして発光層が中心波長４００ｎｍで発光するようにする。中間層は、ＭｇをＣ1＝５×１０18ｃｍ-3を目標に添加したＧａＮで形成する。他は、実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子サンプルを形成する。
【００８２】
本素子サンプルは、面発光レーザサンプルであり、電極間に電圧を印加することにより、複数の発光層からの発光が実現し、利得を生じる発光層厚を実質的に厚くすることが可能になる。
【００８３】
（１０）結び：
本発明は、種々の変形例が考えられる。
例えば、ｎ型半導体層がｐ型半導体層よりも基板側に配置される以外にも、ｐ型半導体層がｎ型半導体層よりも基板側に配置されてもよい。従って、例えば、ｐ型半導体層上に第一活性層を形成してもよい。
ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に配置される活性層は、４層以上でもよい。従って、活性層同士の間に配置される中間層は、３層以上でもよい。
【００８４】
以上説明したように、本発明によると、種々の態様により、ｐ型半導体層側の発光層のみならずｎ型半導体層側の活性層においても電流注入による発光、又は、受光が行われる新規な窒化物半導体素子、その製造方法、等の技術を提供することができる。むろん、従属請求項に係る構成要件を有しておらず独立請求項に係る構成要件のみからなる技術でも、上述した基本的な作用、効果が得られる。
また、上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。
【符号の説明】
【００８５】
１Ａ…窒化物半導体発光素子（窒化物半導体素子）、
１Ｂ…窒化物半導体受光素子（窒化物半導体素子）、
２ｎ…ｎ型半導体層、２ｐ…ｐ型半導体層、
３ｎ…ｎ−電極、３ｐ…ｐ−電極、
１１，１２，１３…発光層（活性層）、１４…井戸層、１５…障壁層、
１６，１７…中間層、
２１，２２…受光層（活性層）、２６…中間層、
４１…基板、４２…低温堆積緩衝層、
４３…アンドープ半導体層、４４…ｐ型コンタクト層、
Ｓ１…量子井戸構造。
【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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【図９】
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【図１０】
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