(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各層がIII 族窒化物半導体から成り、ｎ型層側クラッド層、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層を障壁層とする多重量子構造を有した発光層、ｐ型層側クラッド層を少なくとも有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層は、ＡｌＧａＮから成る第１層と、該第１層上に接合して成長されたＩｎＧａＮから成る井戸層と、該井戸層上に接合して成長されたＧａＮ層と、該ＧａＮ層上に接合して成長され、前記第１層に対してＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮから成る第２層とを１周期とする周期構造を有し、
前記第１層を前記障壁層とし、
前記発光層は、前記ｎ型層側クラッド層から前記ｐ型層側クラッド層の方向の厚さ方向に沿って、３区分の第１区分、第２区分、第３区分に分ける時、前記第１区分における前記障壁層のＡｌ組成比の平均をｘ、前記第２区分における前記障壁層のＡｌ組成比の平均をｙ、前記第３区分における前記障壁層のＡｌ組成比の平均をｚとする時、ｚ＜ｙ＜ｘを満たし、前記第２層のＡｌ組成比と厚さは、前記周期構造の全体に渡って一定として、前記発光層の厚さ方向の全範囲において電子密度を均一化させるように、それぞれの前記障壁層のＡｌ組成比を設定したことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１区分と前記第３区分における前記障壁層の層数を等しくし、ｘ＋ｚ＝２ｙを満たすように、それぞれの前記障壁層のＡｌ組成比を設定した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】
比ｘ／ｙを、１．１≦ｘ／ｙ≦２．２としたことを特徴とする請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１区分における前記障壁層の厚さの平均をａ、前記第２区分における前記障壁層の厚さの平均をｂ、前記第３区分における前記障壁層の厚さの平均をｃとする時、ａ＜ｂ＜ｃ、又は、ｃ＜ｂ＜ａを満たすように、それぞれの前記障壁層の厚さを設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１区分と前記第３区分における前記障壁層の層数を等しくし、ａ＋ｃ＝２ｂを満たすように、それぞれの前記障壁層の厚さを設定したことを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
ａ＜ｃの関係に設定することを特徴とする請求項５に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
ａ＜ｂ＜ｃの場合には、比ａ／ｂを、０．７≦ａ／ｂ≦０．９とし、ｃ＜ｂ＜ａの場合には、比ｃ／ｂを、０．７≦ｃ／ｂ≦０．９としたことを特徴とする請求項５に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
各層がIII 族窒化物半導体から成り、ｎ型層側クラッド層、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層を障壁層とする多重量子構造を有した発光層、ｐ型層側クラッド層を少なくとも有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層は、ＡｌＧａＮから成る第１層と、該第１層上に接合して成長されたＩｎＧａＮから成る井戸層と、該井戸層上に接合して成長されたＧａＮ層と、該ＧａＮ層上に接合して成長され、前記第１層に対してＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮから成る第２層とを１周期とする周期構造を有し、
前記第１層を前記障壁層とし、
前記発光層は、前記ｎ型層側クラッド層から前記ｐ型層側クラッド層の方向の厚さ方向に沿って、３区分の第１区分、第２区分、第３区分に分ける時、第１区分、第２区分、第３区分の前記障壁層のＡｌ組成比を等しくし、前記第１区分における前記障壁層の厚さの平均をａ、前記第２区分における前記障壁層の厚さの平均をｂ、前記第３区分における前記障壁層の厚さの平均をｃとする時、ａ＜ｂ＜ｃ、又は、ｃ＜ｂ＜ａを満たし、かつ、第１区分と第３区分における前記障壁層の層数を等しくし、ａ＋ｃ＝２ｂを満たすように、それぞれの前記障壁層の厚さを設定し、前記第２層のＡｌ組成比と厚さは、前記周期構造の全体に渡って一定として、前記発光層の厚さ方向の全範囲において電子密度を均一化させるように、それぞれの前記障壁層の厚さを設定したことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
ａ＜ｃの関係に設定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】
ａ＜ｂ＜ｃの場合には、比ａ／ｂを、０．７≦ａ／ｂ≦０．９とし、ｃ＜ｂ＜ａの場合には、比ｃ／ｂを、０．７≦ｃ／ｂ≦０．９とした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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動電圧の上昇を抑制して、発光効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子が知られている。特許文献１には、III 族窒化物半導体発光素子の活性層において、ＩｎＧａＮから成る井戸層のエネルギーバンドギャップを、ｎ型コンタクト層に近いほど大きくすること、井戸層の厚さを、ｎ型コンタクト層に近いほど薄くすること、ＩｎＧａＮから成る障壁層のエネルギーバンドギャップを、ｎ型コンタクト層に近いほど大きくすることが、記載されている。この構造により、発光波長の不均一性を解消している。
【０００３】
また、特許文献２には、活性層において、キャリアのオーバーフローを抑制するために、障壁層の厚さをｐ型層に向かうに連れて漸次厚くした構造が開示されている。
また、特許文献３には、障壁層、井戸層、障壁層の３層構造の活性層において、ｎ型層側の障壁層のバンドギャップをｐ型層側の障壁層のバンドギャップよりも大きくした構造、ｎ型層側の障壁層の厚さをｐ型層側の障壁層の厚さよりも薄くした構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３７１１
【特許文献２】特開２００９−１５２５５２
【特許文献３】特開２００３−２７３４７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような構造であっても、III 族窒化物半導体発光素子においては、さらなる発光効率の向上が求められている。ＭＱＷ（多重量子井戸）構造の活性層においては、電子の拡散長は、正孔の拡散長よりも長い。このため、ＭＱＷ構造において、ｎ型クラッド層から活性層に注入された電子は、ｐ型クラッド層に至り、その障壁により活性層に閉じ込められる。この結果、ｐ型クラッド層側に近接した井戸層程、より多くの電子が捕獲されることになる。すなわち、活性層の井戸層における電子密度の分布は、ｐ型クラッド層側に向かうに連れて大きくなる。この結果、ｐ型クラッド層から活性層に注入された正孔は、ｐ型クラッド層に近い電子密度の高い井戸層に捕獲された電子とより多く再結合することになる。
【０００６】
この結果、活性層における発光領域がｐ型クラッド層に近接した位置に偏るという問題がある。このことが、発光素子全体の発光出力を小さくし、発光効率を小さくするという原因となっていた。
そこで、本発明の目的は、駆動電圧を向上させることなく、III 族窒化物半導体発光素子の発光出力、発光効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、各層がIII 族窒化物半導体から成り、ｎ型層側クラッド層、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層を障壁層とする多重量子構造を有した発光層、ｐ型層側クラッド層を少なくとも有するIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層は、ＡｌＧａＮから成る第１層と、該第１層上に接合して成長されたＩｎＧａＮから成る井戸層と、該井戸層上に接合して成長されたＧａＮ層と、該ＧａＮ層上に接合して成長され、第１層に対してＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮから成る第２層とを１周期とする周期構造を有し、第１層を障壁層とし、発光層は、ｎ型層側クラッド層からｐ型層側クラッド層の方向の厚さ方向に沿って、３区分の第１区分、第２区分、第３区分に分ける時、第１区分における障壁層のＡｌ組成比の平均をｘ、第２区分における障壁層のＡｌ組成比の平均をｙ、第３区分における障壁層のＡｌ組成比の平均をｚとする時、ｚ＜ｙ＜ｘを満たし、第２層のＡｌ組成比と厚さは、周期構造の全体に渡って一定として、発光層の厚さ方向の全範囲において電子密度を均一化させるように、それぞれの障壁層のＡｌ組成比を設定したことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【０００８】
本発明において、第１区分、第２区分、第３区分の障壁層の層数は任意である。第１区分の障壁層の層数と、第３区分の障壁層の層数が等しいことが望ましい。また、各同一区分内における複数の障壁層のＡｌ組成比は、異なっていても、同一であっても良い。また、ｎ型層側クラッド層の側から障壁層のＡｌ組成比が、単調に減少するものであっても、各区分内における障壁層のＡｌ組成比の平均値が、ｚ＜ｙ＜ｘの関係を満たしていれば、各同一区分内でのＡｌ組成比の分布は、任意である。しかし、ｎ型層側クラッド層の側から障壁層のＡｌ組成比が、単調に減少することが望ましい。
【０００９】
第２発明は、第１発明において、第１区分と第３区分における障壁層の層数を等しくし、ｘ＋ｚ＝２ｙを満たすように、それぞれの障壁層のＡｌ組成比を設定したことを特徴とする。
第１区分と第３区分の障壁層の層数をｋ、発光層の障壁層の全層数をｎとする。本発明では、第１区分における障壁層のＡｌ組成比の平均ｘ、第２区分における障壁層のＡｌ組成比の平均ｙ、第３区分における障壁層のＡｌ組成比の平均ｚは、次式により決定される。ただし、ｚ＜ｘである。
【００１０】
【数１】
0005737111.tif 000002
（１）式は、（２）式のようにも表される。
【数２】
0005737111.tif 000003
また、（２）式は、（３）式のようにも表される。
【数３】
0005737111.tif 000004
【００１１】
すなわち、本第２発明では、第１区分と第３区分の障壁層の層数を等しくし、第１区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｘを第３区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｚよりも大きくし、第１区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｘと第３区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｚの相加平均が第２区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｙに等しくなるように設計されていることが特徴である。
換言すれば、第２区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｙに対する第１区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｘの偏差（ｘ−ｙ）と、第３区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｚに対する第２区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｙの偏差（ｙ−ｚ）とを等しくしている。また、第２区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｙに対する第１区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｘの比ｘ／ｙの１に対する偏差（ｘ／ｙ−１）と、１の第２区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｙに対する第３区分の障壁層のＡｌ組成比の平均ｚの比ｚ／ｙに対する偏差（１−ｚ／ｙ）とを等しくしている。本件発明は、発光層における３つの区分における障壁層のＡｌ組成比の平均に関して、上記のような対称性を持たせることにより、発光効率を改善している。また、最も望ましくは、各同一区分内における複数の障壁層のＡｌ組成比を同一にしても良い。この場合には、第１区分の全ての障壁層のＡｌ組成比はｘで等しく、第２区分の全ての障壁層のＡｌ組成比はｙで等しく、第３区分の全ての障壁層のＡｌ組成比はｚで等しくなる。このことは、以下の発明においても、適用される。
【００１２】
第３発明は、第２発明において、第２区分における障壁層のＡｌ組成比の平均ｙに対する第１区分における障壁層のＡｌ組成比の平均ｘの比ｘ／ｙを、１．１≦ｘ／ｙ≦２．２としたことを特徴とする。障壁層のＡｌ組成比の平均の比をこの範囲に設定して、対称性を持たせることにより、発光効率を大きく改善することができる。
【００１３】
第４発明は、第１乃至第３の発明において、第１区分における障壁層の厚さの平均をａ、第２区分における障壁層の厚さの平均をｂ、第３区分における障壁層の厚さの平均をｃとする時、ａ＜ｂ＜ｃ、又は、ｃ＜ｂ＜ａを満たすように、それぞれの前記障壁層の厚さを設定したことを特徴とする。各区分における障壁層の厚さの平均値を、ｐ型層側クラッド層に向けて、単調増加、又は、単調減少させたのが特徴である。各同一区分内の複数の障壁層の厚さは、同一でも、異なっていても良いが、同一であることが望ましい。各区分内における障壁層の厚さの平均値ａ，ｂ，ｃが、上記の関係を満たしていれば良い。
【００１４】
第５発明は、第４発明において、第１区分と第３区分における障壁層の層数を等しくし、ａ＋ｃ＝２ｂを満たすように、それぞれの障壁層の厚さを設定したことを特徴とする。  本発明では、各区分内の障壁層の厚さの平均値に関して、次式のように決定されている。
【００１５】
【数４】
0005737111.tif 000005
（４）式は、（５）式のようにも表される。
【数５】
0005737111.tif 000006
また、（５）式は、（６）式のようにも表される。
【数６】
0005737111.tif 000007
【００１６】
すなわち、本発明では、第１区分と第３区分の障壁層の層数を等しくし、第１区分の障壁層の厚さの平均ａと第３区分の障壁層の厚さの平均ｃの相加平均が第２区分の障壁層の厚さの平均ｂに等しくなるように設計されていることが特徴である。第２発明においては、障壁層の厚さの平均に関しては、発明の範囲に、ａ＜ｂ＜ｃの場合も、ｃ＜ｂ＜ａの場合も含む。
換言すれば、第１区分の障壁層の厚さの平均ａに対する第２区分の障壁層の厚さの平均ｂの偏差（ｂ−ａ）と、第２区分の障壁層の厚さの平均ｂに対する第３区分の障壁層の厚さの平均ｃの偏差（ｃ−ｂ）とを等しくしている。また、１の第２区分の障壁層の厚さの平均ｂに対する第１区分の障壁層の厚さの平均ａの比ａ／ｂに対する偏差（１−ａ／ｂ）と、第２区分の障壁層の厚さの平均ｂに対する第３区分の障壁層の厚さの平均ｃの比ｃ／ｂの１に対する偏差（ｃ／ｂ−１）とを等しくしている。本件発明は、発光層における障壁層のＡｌ組成比の分布と厚さの平均の分布に関して、上記のような対称性を持たせることにより、発光効率を改善している。また、最も望ましくは、各同一区分内における複数の障壁層の厚さを同一にしても良い。この場合には、第１区分の全ての障壁層の厚さはａで等しく、第２区分の全ての障壁層の厚さはｂで等しく、第３区分の全ての障壁層の厚さはｃで等しくなる。このことは、以下の発明においても、適用される。
【００１７】
第６発明は、第５発明において、第１区分の障壁層の厚さの平均ａと、第３区分の障壁層の厚さの平均ｃとの間には、ａ＜ｃの関係に設定することを特徴とする。すなわち、ｐ型層側クラッド層に近い障壁層の厚さの平均を、ｎ型層側クラッド層に近い障壁層の厚さの平均よりも厚くすることで、第３区分における障壁層のＡｌ組成比を小さくしたことによる障壁層の低さから生じる電子のオーバーフローを障壁層の厚さで抑制している。
【００１８】
第７発明は、第５発明において、ａ＜ｂ＜ｃの場合には、比ａ／ｂを、０．７≦ａ／ｂ≦０．９とし、ｃ＜ｂ＜ａの場合には、比ｃ／ｂを、０．７≦ｃ／ｂ≦０．９としたことを特徴とする。障壁層の厚さの平均の比をこの範囲に設定して、対称性を持たせることにより、発光効率を大きく改善することができる。
【００１９】
第８発明は、各層がIII 族窒化物半導体から成り、ｎ型層側クラッド層、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層を障壁層とする多重量子構造を有した発光層、ｐ型層側クラッド層を少なくとも有するIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層は、ＡｌＧａＮから成る第１層と、該第１層上に接合して成長されたＩｎＧａＮから成る井戸層と、該井戸層上に接合して成長されたＧａＮ層と、該ＧａＮ層上に接合して成長され、第１層に対してＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮから成る第２層とを１周期とする周期構造を有し、第１層を障壁層とし、発光層は、ｎ型層側クラッド層からｐ型層側クラッド層の方向の厚さ方向に沿って、３区分の第１区分、第２区分、第３区分に分ける時、第１区分、第２区分、第３区分の障壁層のＡｌ組成比を等しくし、第１区分における障壁層の厚さの平均をａ、第２区分における障壁層の厚さの平均をｂ、第３区分における障壁層の厚さの平均をｃとする時、ａ＜ｂ＜ｃ、又は、ｃ＜ｂ＜ａを満たし、かつ、第１区分と第３区分における障壁層の層数を等しくし、ａ＋ｃ＝２ｂを満たすように、それぞれの障壁層の厚さを設定し、第２層のＡｌ組成比と厚さは、周期構造の全体に渡って一定として、発光層の厚さ方向の全範囲において電子密度を均一化させるように、それぞれの障壁層の厚さを設定したことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００２０】
本発明は、第１区分、第２区分、第３区分の障壁層のＡｌ組成比を等しくした上で、第２発明のように第１区分、第２区分、第３区分の各障壁層の厚さの平均値に関して、対称性を持たせたものである。
【００２１】
また、第９発明は、第８発明において、第１区分の障壁層の厚さの平均ａと、第３区分の障壁層の厚さの平均ｃとの間には、ａ＜ｃの関係に設定することを特徴とする。この場合には、ｐ型層側クラッド層に近い障壁層の厚さの平均を、ｎ型層側クラッド層に近い障壁層の厚さの平均よりも大きくすることで、電子のｐ型層側クラッド層へのオーバーフローが抑制されて、発光効率が向上する。
【００２２】
第１０発明は、第８発明において、ａ＜ｂ＜ｃの場合には、比ａ／ｂを、０．７≦ａ／ｂ≦０．９とし、ｃ＜ｂ＜ａの場合には、比ｃ／ｂを、０．７≦ｃ／ｂ≦０．９としたことを特徴とする。障壁層の厚さの平均の比をこの範囲に設定して、対称性を持たせることにより、発光効率を大きく改善することができる。
【００２３】
上記の全ての発明の半導体発光素子は、通常は、ｎ型クラッド層の下方には、ｎ電極を形成するためのｎ型コンタクト層、ｐ型層側クラッド層の上には、ｐ電極を形成するためのｐ型コンタクト層が、存在する。また、本発明の半導体発光素子は、これ以外の層が存在してもかまわない。また、発光層は多重量子構造であり、層数は任意である。層の繰返構造の１単位は、少なくとも井戸層と障壁層とを有すれば良く、他の層が存在していても良い。この１単位の繰返数は、３以上の整数である。
【００２４】
ｐ型層側クラッド層は、Ａｌz Ｇａ1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層を含む超格子層から成ることが望ましい。ｎ型層側クラッド層はＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）層を含む超格子から成ることが望ましい。また、ｎ型層側クラッド層を、Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）層、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層、及び、ＧａＮ層から成る超格子により構成しても良い。これらの超格子層の少なくとも１つの層には、Ｓｉが添加されていることが望ましい。もちろん、ｎ型層側クラッド層を構成する全ての層に、Ｓｉが添加されていても良い。
【００２５】
また、ｐ型層側クラッド層は、Ｉｎw Ｇａ1-w Ｎ層とＡｌz Ｇａ1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層の周期構造から成る超格子層としても良い。この構成により、電子を発光層に効果的に閉じ込め、正孔を発光層に効果的に注入することができる。この結果、発光効率が向上する。上記の発明おいて、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１、ｙ１、ｚ１≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。通常は、Ｇａを必須とするＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。
【００２６】
発光層は、多重量子構造を用いることができる。本半導体発光素子は、その他、ｎ型コンタクト層、ｐ型コンタクト層等、その他の層を有していても良い。また、ｎ型コンタクト層とｎ型層側クラッド層との間に、静電耐圧改善層（ＥＳＤ層）を有していても良い。その他、層構成は任意である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明では、発光層を、ｎ型層側クラッド層からｐ型層側クラッド層の方向の厚さ方向に沿って、３区分の第１区分、第２区分、第３区分に分ける時、第１区分における障壁層のＡｌ組成比の平均をｘ、第２区分における障壁層のＡｌ組成比の平均をｙ、第３区分における障壁層のＡｌ組成比の平均をｚとする時、ｚ＜ｙ＜ｘを満たすように、それぞれの障壁層のＡｌ組成比を設定している。この結果、障壁層はｎ型層側クラッド層に近い側で障壁が高くなる。このため、発光層における電子はｎ型層側クラッド層に近い井戸層にも電子が蓄積され、発光層の厚さ方向の全範囲において、電子分布をより均一化させることができ、発光領域を厚さ方向の全範囲に渡って均一にすることができる。このため、発光効率を向上させることができる。
【００２８】
また、第１区分と第３区分における障壁層の層数を等しくし、ｘ＋ｚ＝２ｙを満たすように、それぞれの障壁層のＡｌ組成比を設定することで、Ａｌ組成比の分布は、ｎ型層側クラッド層側が高く、ｐ型層側クラッド層側が低く、しかも、厚さの中央に対して対称分布となる。この結果、ｎ型層側クラッド層に近い井戸層にも電子が蓄積されるため、発光層の厚さ方向の全範囲において、電子分布をより均一化させることができ、発光領域を厚さ方向の全範囲に渡って均一にすることができる。このため、発光効率を向上させることができる。
【００２９】
また、障壁層の厚さに関しても、第１区分における障壁層の厚さの平均をａ、第２区分における障壁層の厚さの平均をｂ、第３区分における障壁層の厚さの平均をｃとする時、ａ＜ｂ＜ｃ、又は、ｃ＜ｂ＜ａを満たすように、それぞれの前記障壁層の厚さを設定している。これにより、発光効率を向上させることができた。
【００３０】
また、第１区分と第３区分における障壁層の層数を等しくし、ａ＋ｃ＝２ｂを満たすように設定することで、発光層の厚さ方向の中央に対して障壁層の厚さの分布を対称とすることができる。このため、発光効率を向上させることができる。特に、ｐ型層側クラッド層に近い第３区分の障壁層の厚さの平均を、ｎ型層側クラッド層に近い第１区分の障壁層の厚さの平均よりも大きくすることにより、電子のｐ型層側クラッド層へのオーバーフローを防止でき、発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１の発光素子１の構成を示した図。
【図２】発光素子１の製造工程を示した図。
【図３】実施例１の発光素子のバンド構造を示した図。
【図４】実施例１の発光素子において、発光層を障壁層と井戸層だけで簡略化した場合のバンド図。
【図５】実施例２の発光素子において、発光層を障壁層と井戸層だけで簡略化した場合のバンド図。
【図６】実施例３の発光素子において、発光層を障壁層と井戸層だけで簡略化した場合のバンド図。
【図７】実施例５の発光素子のバンド構造を示した図。
【図８】実施例５の発光素子において、発光層を障壁層と井戸層だけで簡略化した場合のバンド図。
【図９】実施例６の発光素子において、発光層を障壁層と井戸層だけで簡略化した場合のバンド図。
【図１０】実施例７の発光素子において、発光層を障壁層と井戸層だけで簡略化した場合のバンド図。
【図１１】実施例５、６、７及び比較例１、３の発光層の発光光度を示した測定図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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】
【００３３】
図１は、実施例１の発光素子１の構成を示した図である。発光素子１は、サファイア基板１００上にＡｌＮからなるバッファ層１２０を介して、III 族窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層１０１、ＥＳＤ層（静電耐圧改善層）１０２、ｎ型層側クラッド層（以下、「ｎ型クラッド層」という）１０３、発光層１０４、ノンドープクラッド層１０５、ｐ型層側クラッド層（以下、「ｐ型クラッド層」という）１０６、ｐ型コンタクト層１０７、が積層され、ｐ型コンタクト層１０７上にｐ電極１０８が形成され、ｐ型コンタクト層１０７側から一部領域がエッチングされて露出したｎ型コンタクト層１０１上にｎ電極１３０が形成された構造である。
【００３４】
サファイア基板１００の表面には、光取り出し効率を向上させるために凹凸加工が施されている。サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどを成長基板として用いてもよい。
【００３５】
ｎ型コンタクト層１０１は、Ｓｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3 以上のｎ−ＧａＮである。ｎ電極１３０とのコンタクトを良好とするために、ｎ型コンタクト層１０１をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００３６】
ＥＳＤ層１０２は、ｎ型コンタクト層１０１側から第１ＥＳＤ層１１０と第２ＥＳＤ層１１１との２層構造である。第１ＥＳＤ層１１０は、ノンドープのＧａＮである。第１ＥＳＤ層１１０の厚さは５０〜５００ｎｍである。第１ＥＳＤ層１１０の表面１１０ａにはピットが生じており、そのピット密度は２×１０8 ／ｃｍ2 以上である。第２ＥＳＤ層１１１は厚さ２５〜５０ｎｍのＳｉドープのＧａＮである。なお、第１ＥＳＤ層１１０には、キャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 以下となる範囲でＳｉがドープされていてもよい。
【００３７】
第２ＥＳＤ層１１１は、ＳｉがドープされたＧａＮであり、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 ）である。たとえば、第２ＥＳＤ層１１１の厚さを３０ｎｍとする場合にはＳｉ濃度は３．０×１０18〜１．２×１０19／ｃｍ3 である。
【００３８】
ｎ型クラッド層１０３は、厚さ２．５ｎｍのノンドープのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１、厚さ０．７ｎｍのノンドープのＧａＮ層１３２、厚さ１．４ｎｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３の３層を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を１５回繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、ｎ型クラッド層１０３は、最初に形成する層、すなわち、第２ＥＳＤ層１１１に接する層をＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１とし、最後に形成する層、すなわち、発光層１０４に接する層をｎ−ＧａＮ層１３３としている。ｎ型クラッド層１０３の全体の厚さは、６９ｎｍである。ここで、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１の厚さは、１．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とすることができる。ノンドープＧａＮ層１３２の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。
【００３９】
発光層１０４（活性層ともいう）において、ｎ型クラッド層１０３の側から第１区分、第２区分、第３区分と、厚さ方向に３つの区分に分ける。第１区分では、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.33Ｇａ0.66Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、２単位設けられている。第２区分では、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、３単位設けられている。第３区分では、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、２単位設けられている。本実施例では、第１区分の２層のＡｌ0.33Ｇａ0.66Ｎ層１４４、第２区分の３層のＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４、第３区分の２層のＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層１４４を、それぞれ、本発明の障壁層１４４とした。Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２が井戸層１４２である。なお、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１も障壁層である。Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１を障壁層とした場合に、ＧａＮ層１４３とＧａＮ層１４３に続く各層１４４は、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１に対するキャップ層と言われる場合もある。しかし、各層１４４はＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１に続く層であり、井戸層１４２よりもバンドギャップは大きく、その井戸層１４２に対してキャリアを閉じ込める障壁層として機能する。したがって、以下の実施例１−４においては、各層１４４を障壁層とした場合を説明し、以下の実施例５−８においては、各層１４１を障壁層とした場合について説明する。
以下において、符号１４４は障壁層にも用い、符号１４２は井戸層にも用いる。
【００４０】
ただし、最初に形成する層、すなわち、ｎ型クラッド層１０３に接する層をＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、最後に形成する層、すなわち、ノンドープクラッド層１０５に接する層をＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４としている。１繰返単位の厚さは６．８ｎｍであり、発光層１０４の全体の厚さは４７．６ｎｍである。発光層１０４の全ての層は、ノンドープである。発光層１０４とｐ型クラッド層１０６との間に、厚さ２．５ｎｍのノンドープのＧａＮ層１５１と厚さ３ｎｍのノンドープのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ１５２とから成るノンドープクラッド層１０５が設けられている。ノンドープクラッド層１０５は、その上層に添加されているＭｇが発光層１０４へ拡散するのを防止するための層である。
【００４１】
ｐ型クラッド層１０６は、厚さ１．７ｎｍのｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１６１、厚さ３．０ｎｍのｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層１６２を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を７回繰り返し積層させた構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、ノンドープクラッド層１０５に接する層をｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１６１とし、最後に形成する層、すなわち、ｐ型コンタクト層１０７に接する層をｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層１６２としている。ｐ型クラッド層１０６の全体の厚さは３２．９ｎｍである。ｐ型不純物にはＭｇを用いている。
【００４２】
ｐ型コンタクト層１０７は、Ｍｇをドープしたｐ−ＧａＮである。ｐ電極とのコンタクトを良好とするために、ｐ型コンタクト層１０７をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００４３】
発光素子１は、ＥＳＤ層１０２を上記のような構成としたことで、良好な静電耐圧特性が得られ、かつ、発光効率、信頼性が向上し、電流リークが減少している。以下、ＥＳＤ層１０２を上記のように構成した理由について説明する。まず、ＥＳＤ層１０２では、密度２×１０8 ／ｃｍ2 以上のピットを有した第１ＥＳＤ層１１０を形成し、そのピットが形成された第１ＥＳＤ層１１０上にＳｉをドープした第２ＥＳＤ層１１１を形成した構成としている。第１ＥＳＤ層１１０のピットにＳｉが位置することにより、この位置での導電性が得られる。このような構成により良好な静電耐圧特性が得られ。第１ＥＳＤ層１１０の厚さを５０〜５００ｎｍとして、静電耐圧特性、発光効率が低下せず、電流リークが増大しないピット径となるようにした。
【００４４】
なお、さらに静電耐圧特性、発光効率、および信頼性を向上させ、電流リークを減少させるためには、ＥＳＤ層１０２の構成を以下のようにすることが望ましい。第１ＥＳＤ層１１０の厚さは５０〜５００ｎｍ、ピット密度は２×１０8 〜１×１０10／ｃｍ2 とすることが望ましい。また、第２ＥＳＤ層１１１の特性値は、１．５×１０20〜３．６×１０20ｎｍ／ｃｍ3 、厚さは２５〜５０ｎｍであることが望ましい。
【００４５】
次に、発光素子１の製造方法について図２を参照に説明する。ただし、図２では、図１で示された超格子の周期構造の表示は省略されている。
用いた結晶成長方法は有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）である。ここで用いられたガスは、キャリアガスは水素と窒素（Ｈ2 又はＮ2 ）を用い、窒素源には、アンモニアガス（ＮＨ3 ）、Ｇａ源には、トリメチルガリウム（Ｇａ(CH3)3：以下「ＴＭＧ」と書く。) 、Ｉｎ源には、トリメチルインジウム（Ｉｎ(CH3)3：以下「ＴＭＩ」と書く。) 、Ａｌ源には、トリメチルアルミニウム（Ａｌ(CH3)3：以下「ＴＭＡ」と書く。) 、ｎ型ドーパントガスには、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーパントガスには、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ：以下「ＣＰ2 Ｍｇ」と書く。）を用いた。
【００４６】
まず、サファイア基板１００を水素雰囲気中で加熱してクリーニングを行い、サファイア基板１００表面の付着物を除去した。その後、ＭＯＣＶＤ法によって、基板温度を４００℃にして、サファイア基板１００上にＡｌＮからなるバッファ層１２０を形成した。次に、水素ガス（キャリアガス）とアンモニアガスを流しながら基板温度を１１００℃まで上昇させ、基板温度が１１００℃になったら直ちに、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉ濃度が４．５×１０18cm-3のＧａＮよりなるｎ形コンタクト層１０１を、バッファ層１２０上に形成した（図２（ａ））。  
【００４７】
次に、以下のようにしてＥＳＤ層１０２を形成した。まず、ｎ型コンタクト層１０１上に、ＭＯＣＶＤ法によって厚さ５０〜５００ｎｍのノンドープＧａＮである第１ＥＳＤ層１１０を形成した。成長温度は８００〜９５０℃とし、キャリア濃度５×１０17／ｃｍ3 以下、ピット密度２×１０8 ／ｃｍ2 以上の結晶が得られるようにした。成長温度は８００〜９００℃とするとよりピット密度が増加し好ましい。
【００４８】
次に、第１ＥＳＤ層１１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって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Ｓｉドープのｎ−ＧａＮである第２ＥＳＤ層１１１を形成した。成長温度は８００〜９５０℃とした。以上の工程により、ｎ型コンタクト層１０１上にＥＳＤ層１０２を形成した（図２（ｂ））。
【００４９】
次に、ＥＳＤ層１０２上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型クラッド層１０３を形成した。ｎ型クラッド層１０３の各層である厚さ２．５ｎｍのノンドープのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１、厚さ０．７ｎｍのノンドープのＧａＮ層１３２、厚さ１．４ｎｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３から成る周期構造を１５周期、繰り返して形成した。Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１の形成は、基板温度を８３０℃にして、シランガス、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給して行った。ｎ−ＧａＮ層１３３の形成は、基板温度を８３０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを供給して行った。
【００５０】
次に、ｎ型クラッド層１０３の上に、発光層１０４を形成した。発光層１０４の各層であるＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３、Ａｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４の４層の周期構造を７回繰り返して形成した。ただし、第１区分における障壁層１４４であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４は、Ａｌ0.33Ｇａ0.66Ｎ層１４４とし、層数は２である。第２区分における障壁層１４４であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４は、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４とし、層数は３である。第３区分における障壁層であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４は、Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層１４４とし、層数は２である。障壁層１４４であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４の成長温度は、８００〜９５０℃の範囲の任意の温度とし、Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３及びＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１の成長温度は、７７０℃とした。勿論、各層の成長において、各層を成長させる基板温度は、一定の７７０℃にしても良い。それぞれの原料ガスを供給して、発光層１０４を形成した。
【００５１】
次に、発光層１０４の上に、基板温度を８５５℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ノンドープのＧａＮ層１５１を厚さ２．５ｎｍに成長させ、次に、基板温度を８５５℃に保持し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ノンドープのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ１５２を厚さ３ｎｍに成長させた。これにより、ノンドープクラッド層１０５を形成した。
【００５２】
次に、ノンドープクラッド層１０５の上に、ｐ型クラッド層１０６を形成した。基板温度を８５５℃にして、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１６１を厚さ１．７ｎｍに、基板温度を８５５℃にして、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層１６２を、厚さ３．０ｎｍに形成することを、７回繰り返して積層させた。
【００５３】
次に、基板温度を１０００℃にして、ＴＭＧ、アンモニア、ＣＰ2 Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０20cm-3ドープしたｐ形ＧａＮよりなる厚さ５０ｎｍのｐ形コンタクト層１０７を形成した。このようにして、図２（ｃ）に示す素子構造が形成された。ｐ形コンタクト層１０７のＭｇ濃度は、１×１０19〜１×１０21cm-3の範囲で使用可能である。また、ｐ形コンタクト層１０７の厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲としても良い。
【００５４】
次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１０７の表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１０１に達する溝を形成した。そして、ｐ型コンタクト層１０７の表面にＮｉ／Ａｕ／Ａｌ（ｐ型コンタクト層１０７の側からこの順に積層した構造）からなるｐ電極１０８、ドライエッチングによって溝底面に露出したｎ型コンタクト層１０１上にＮｉ／Ａｕ（ｎ型コンタクト層１０１側からこの順に積層させた構造）からなるｎ電極１３０を形成した。以上によって図１に示す発光素子１が製造された。
【００５５】
図３は、発光素子１のバンド構造を示している。伝導帯において、ｎ型コンタクト層１０１から発光層１０４に注入される電子に関して、ｎ型クラッド層１０３のノンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２による電位障壁が最も高い。ところが、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２は、厚さが０．８ｎｍと薄いので、この層１３２をトンネルして、発光層１０４に至ることができる。また、発光層１０４では、障壁層１４４であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４のＡｌ組成比ｗは、ｎ型クラッド層１０３側に位置する障壁層程大きく、ｐ型クラッド層１０６側に位置する障壁層程小さい。そして、Ａｌ組成比は、ｘ＋ｚ＝２ｙの関係、すなわち、（ｘ−ｙ）＝（ｙ−ｚ）の関係を満たしている。これは、第２区分の障壁層１４４のＡｌ組成比に対する第１区分の障壁層１４４のＡｌ組成比の偏差と、第３区分の障壁層１４４のＡｌ組成比に対する第２区分の障壁層１４４のＡｌ組成比の偏差が等しいことを意味している。すなわち、発光層１０４における障壁層１４４のＡｌ組成比は、第２区分を中心にして点対称に分布している。
【００５６】
発光層１０４とｐ型クラッド層１０６の間には、ｐ型不純物の添加による電位障壁があるので、ｎ型クラッド層１０３から発光層１０４に注入された電子は、ｐ型クラッド層１０６のｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層１６２によりブロックされる。したがって、電子は、発光層１０４に効果的に閉じ込められる。この時、障壁層１４４のＡｌ組成比の厚さ方向の分布が上記したように対称分布であり、ｎ型クラッド層１０３に近い側が大きいので、電子をｎ型クラッド層１０３に近い井戸層１４２にも蓄積することができる。
【００５７】
一方、価電子帯において、ｐ型コンタクト層１０７からｐ型クラッド層１０６及びノンドープクラッド層１０５を介して発光層１０４に注入された正孔は、ｎ型クラッド層１０３のノンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２をトンネルすることができない。Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２の厚さは、０．８ｎｍであるが、正孔には、トンネルできない厚さであるので、この層１３２でブロックされる。したがって、正孔は、発光層１０４において、効果的に閉じ込められる。このため、正孔密度は、発光層１０４において一様に分布する。この結果、電子と正孔の再結合は、発光層１０４における発光領域を厚さ方向に、より一様化することができる。この結果、駆動電圧を上昇させることなく、発光効率を向上させることができる。
【００５８】
この構造の障壁層１４４と井戸層１４２だけに注目したバンド構造は、図４のようになる。発光層１０４における障壁層１４４の電位障壁は、ｎ型クラッド層１０３側が高くなり、ｐ型クラッド層１０６側が低くなる。このため、発光層１０４の第１区分の井戸層１４２に注入された電子は、第１区分における障壁層１４４の障壁の高さのために、第２区分の井戸層１４２には移動し難い。同様に、第２区分の井戸層１４２の電子は、第２区分の障壁層１４４の高さにより、第３区分の井戸層１４２には移動し難い。この結果、発光層１０４においては、井戸層１４２における電子濃度は、ｎ型クラッド層１０３側の方がｐ型クラッド層１０６側よりも高くなる。これにより、ｐ型クラッド層１０６から発光層１０４に注入された正孔の一部は、発光層１０４のｎ型クラッド層１０３側にも至り、その部分でも電子と再結合する。この結果、発光は、発光層１０４の厚さ方向において一様となり、発光出力及び発光効率が向上する。
【実施例２】
【００５９】
本実施例２は、発光層１０４における障壁層１４４の厚さを変化させたものである。７層ある障壁層１４４であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４のＡｌ組成比ｗは、全て、０．２とした。第１区分の２層ある障壁層の厚さａを０．４８ｎｍ、第２区分の３層ある障壁層の厚さｂを０．６ｎｍ、第３区分の２層ある障壁層の厚さｃを０．７２ｎｍとした。すなわち、第１区分の障壁層１４４の厚さａ、第２区分の障壁層１４４の厚さｂ、第３区分の障壁層１４４の厚さｃに対して、ａ＋ｃ＝２ｂ、すなわち、（ｂ−ａ）＝（ｃ−ｂ）＝０．１２ｎｍ、とした。すなわち、障壁層１４４の厚さは、第２区分の障壁層１４４の厚さを中心として、第２区分の障壁層１４４の厚さに対する厚さの偏差が対称となるようにした。この場合に、ｐ型クラッド層１０６に近い障壁層１４４の厚さｃを、ｎ型クラッド層１０３に近い障壁層１４４の厚さａよりも厚くした。すなわち、ａ＜ｃとした。他は実施例１と同一構造の実施例２に係る発光素子を製造した。発光層１０４における障壁層１４４と井戸層１４２だけ抽出してバンド構造を表現すると図５のようになる。
【実施例３】
【００６０】
本実施例３は、実施例２と同様に、発光層１０４における障壁層１４４の厚さを変化させたものである。７層ある障壁層１４４であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４４のＡｌ組成比ｗは、全て、０．２とした。第１区分の２層ある障壁層の厚さａを０．７２ｎｍ、第２区分の３層ある障壁層の厚さｂを０．６ｎｍ、第３区分の２層ある障壁層の厚さｃを０．４８ｎｍとした。すなわち、第１区分の障壁層１４４の厚さａ、第２区分の障壁層１４４の厚さｂ、第３区分の障壁層１４４の厚さｃに対して、ａ＋ｃ＝２ｂ、すなわち、（ａ−ｂ）＝（ｂ−ｃ）＝０．１２ｎｍ、とした。すなわち、障壁層１４４の厚さは、第２区分の障壁層１４４の厚さを中心として、第２区分の障壁層１４４の厚さに対する厚さの偏差が点対称となるようにした。この場合に、実施例３では、実施例２とは逆に、ｐ型クラッド層１０６に近い障壁層１４４の厚さｃを、ｎ型クラッド層１０３に近い障壁層１４４の厚さａよりも薄くした。すなわち、ｃ＜ａとした。他は実施例１と同一構造の実施例３に係る発光素子を製造した。発光層１０４における障壁層１４４と井戸層１４２だけ抽出してバンド構造を表現すると図６のようになる。
障壁層１４４の厚さの分布に関しては、図５、６のように、発光層１０４の厚さの中央ＣＬに対して点対称性があれば、点対称性がない場合よりも発光光度は高くなる。このような障壁層１４４の厚さの分布により発光層１０４の厚さ方向での発光光度を一様化することができるため、発光光度が向上する。
【実施例４】
【００６１】
実施例４は、障壁層１４４のＡｌ組成比に関して、実施例１の構成を用い、障壁層１４４の厚さに関して、実施例２の構成を用いたものである。発光層１０４の障壁層１４４に関して、第１区分の障壁層１４４は、厚さ０．４８ｎｍのＡｌ0.33Ｇａ0.66Ｎ層１４４とし、層数を２とした。第２区分の障壁層１４４は、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４とし、層数を３とした。第３区分の障壁層１４４は、厚さ０．７２ｎｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ層１４４とし、層数は２とした。すなわち、組成比に関して、ｘ＋ｚ＝２ｙ、且つ、ｚ＜ｘ、厚さに関してａ＋ｃ＝２ｂ、且つ、ａ＜ｃとした。この構成の場合には、障壁層１４４は、ｎ型クラッド層１０３に近い方においてＡｌ組成比が大きいため、電子に対する障壁の高さが高く、ｐ型クラッド層１０６に近い方において障壁の高さが低くなる。ｐ型クラッド層１０６に近い方において障壁層１４４の障壁の高さが低くなることによる電子のオーバーフローを抑制するために、障壁層１４４は、ｐ型クラッド層１０６に近い方がその厚さを厚くしている。この結果として、発光光度は、大きくなる。
【００６２】
上記実施例においては、発光層１０４における障壁層１４４の層数は、第１区分と第３区分で層数が等しいならば、任意で良い。また、障壁層１４４のＡｌの組成比は、ｘ＋ｚ＝２ｙ、且つ、ｚ＜ｘの関係を満たせば任意であるが、１．１≦ｘ／ｙ≦２．２の時に発光光度が高い。ｘ／ｙが１．１より小さくなると、発光層１０４において、Ａｌ組成比を変化させて、井戸層における電子密度を均一化する効果が低くなり望ましくない。また、ｘ／ｙが２．２より大きくなると、井戸層の結晶性が低下するので望ましくない。したがって、上記の範囲が望ましい。
【００６３】
また、障壁層１４４の厚さは、ａ＋ｃ＝２ｂの関係を満たすならば、その厚さの範囲は任意であるが、ａ／ｂを、０．７≦ａ／ｂ≦０．９とすると、発光光度が向上する。ｐ型クラッド層１０６に近い障壁層１４４の厚さを、ｎ型クラッド層１０３に近い障壁層１４４の厚さより厚くする方が、逆の場合より、発光光度は大きい。しかし、両者ともに、障壁層の厚さを一定とした場合よりは、発光光度は大きい。ａ／ｂが０．９を越えると、障壁層１４４の幅の変化が小さくなり、電子を発光層の厚さ方向に一様に閉じ込める効果が小さくなるので、望ましくない。ａ／ｂが０．７より小さいと、厚さの厚い障壁層を越える井戸層へ移動する電子が少なくなり、発光層の厚さ方向における発光領域の均一化を阻害することになる。したがって、ａ／ｂは、上記の範囲が望ましい。
【実施例５】
【００６４】
本実施例は、実施例１において、発光層１０４におけるＡｌ組成比を変化させる層を、障壁層１４１とした例である。実施例１と同様に、発光層１０４（活性層ともいう）において、ｎ型クラッド層１０３の側から第１区分、第２区分、第３区分と、厚さ方向に３つの区分に分ける。第１区分では、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.083 Ｇａ0.917 Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、２単位設けられている。第２区分では、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、３単位設けられている。第３区分では、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.017 Ｇａ0.983 Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、２単位設けられている。第１区分の２層のＡｌ0.083 Ｇａ0.917 Ｎ層１４１、第２区分の３層のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、第３区分の２層のＡｌ0.017 Ｇａ0.983 Ｎ層１４１が、それぞれ、本発明の障壁層１４１であり、Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２が井戸層１４２である。以下において、符号１４１は障壁層にも用い、符号１４２は井戸層にも用いる。
【００６５】
ただし、最初に形成する層、すなわち、ｎ型クラッド層１０３に接する層をＡｌ0.083 Ｇａ0.917 Ｎ層１４１、最後に形成する層、すなわち、ノンドープクラッド層１０５に接する層をＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４としている。１繰返単位の厚さは６．８ｎｍであり、発光層１０４の全体の厚さは４７．６ｎｍである。発光層１０４の全ての層は、ノンドープである。発光層１０４以外の他の層の構成及び製造方法は、実施例１と同一である。
【００６６】
ただし、発光層１０４の製法において、第１区分における障壁層１４１であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１は、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.083 Ｇａ0.917 Ｎ層１４１とし、層数は２である。第２区分における障壁層１４１であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１は、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１とし、層数は３である。第３区分における障壁層であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１は、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.017 Ｇａ0.983 Ｎ層１４１、とし、層数は２である。そして、障壁層１４１であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１の成長温度は、８００〜９５０℃の範囲の任意の温度とし、Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３及びＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の成長温度は、７７０℃とした。勿論、各層の成長において、各層を成長させる基板温度は、一定の７７０℃にしても良い。それぞれの原料ガスを供給して、発光層１０４を形成した。
【００６７】
図７は、発光素子１のバンド構造を示している。伝導帯において、ｎ型コンタクト層１０１から発光層１０４に注入される電子に関して、ｎ型クラッド層１０３のノンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２による電位障壁が最も高い。ところが、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２は、厚さが０．８ｎｍと薄いので、この層１３２をトンネルして、発光層１０４に至ることができる。また、発光層１０４では、障壁層１４１であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１のＡｌ組成比ｗは、ｎ型クラッド層１０３側に位置する障壁層程大きく、ｐ型クラッド層１０６側に位置する障壁層程小さい。そして、Ａｌ組成比は、ｘ＋ｚ＝２ｙの関係、すなわち、（ｘ−ｙ）＝（ｙ−ｚ）の関係を満たしている。これは、第２区分の障壁層１４１のＡｌ組成比に対する第１区分の障壁層１４１のＡｌ組成比の偏差と、第３区分の障壁層１４１のＡｌ組成比に対する第２区分の障壁層１４１のＡｌ組成比の偏差が等しいことを意味している。すなわち、発光層１０４における障壁層１４１のＡｌ組成比は、第２区分を中心にして点対称に分布している。
【００６８】
発光層１０４とｐ型クラッド層１０６の間には、ｐ型不純物の添加による電位障壁があるので、ｎ型クラッド層１０３から発光層１０４に注入された電子は、ｐ型クラッド層１０６のｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層１６２によりブロックされる。したがって、電子は、発光層１０４に効果的に閉じ込められる。この時、障壁層１４１のＡｌ組成比の厚さ方向の分布が上記したように対称分布であり、ｎ型クラッド層１０３に近い側が大きいので、電子をｎ型クラッド層１０３に近い井戸層１４２にも蓄積することができる。
【００６９】
一方、価電子帯において、ｐ型コンタクト層１０７からｐ型クラッド層１０６及びノンドープクラッド層１０５を介して発光層１０４に注入された正孔は、ｎ型クラッド層１０３のノンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２をトンネルすることができない。Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３２の厚さは、０．８ｎｍであるが、正孔には、トンネルできない厚さであるので、この層１３２でブロックされる。したがって、正孔は、発光層１０４において、効果的に閉じ込められる。このため、正孔密度は、発光層１０４において一様に分布する。この結果、電子と正孔の再結合は、発光層１０４における発光領域を厚さ方向に、より一様化することができる。この結果、駆動電圧を上昇させることなく、発光効率を向上させることができる。
【００７０】
この構造の障壁層１４１と井戸層１４２だけに注目したバンド構造は、図８のようになる。発光層１０４における障壁層１４１の電位障壁は、ｎ型クラッド層１０３側が高くなり、ｐ型クラッド層１０６側が低くなる。このため、発光層１０４の第１区分の井戸層１４２に注入された電子は、第１区分における障壁層１４１の障壁の高さのために、第２区分の井戸層１４２には移動し難い。同様に、第２区分の井戸層１４２の電子は、第２区分の障壁層１４１の高さにより、第３区分の井戸層１４２には移動し難い。この結果、発光層１０４においては、井戸層１４２における電子濃度は、ｎ型クラッド層１０３側の方がｐ型クラッド層１０６側よりも高くなる。これにより、ｐ型クラッド層１０６から発光層１０４に注入された正孔の一部は、発光層１０４のｎ型クラッド層１０３側にも至り、その部分でも電子と再結合する。この結果、発光は、発光層１０４の厚さ方向において一様となり、発光出力及び発光効率が向上する。
【００７１】
発光出力の測定図を図１１に示す。発光層１０４の上記の単位を７単位として、全体で７層の障壁層であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１のＡｌ組成比ｗを、全て、上記の第２区分における障壁層のＡｌ組成比０．０５とした発光素子を比較例１として製造した。また、障壁層であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１のＡｌ組成比ｗについて、第１区分では０．０１７、第２区分では０．０５、第３区分では０．０８３とした比較例２の発光素子を製造した。すなわち、比較例２では、発光層１０４における障壁層１４１のＡｌ組成比について、発光層１０４の厚さの中点において点対称性はあるが、Ａｌ組成比ｗをｎ型クラッド層１０３に近い側を小さく、ｐ型クラッド層１０６に近い側を大きくした。図１１は、比較例１の光度を１として、規格化した相対光度である。図１１から理解されるように、比較例２では０．９７５と小さく、実施例１では１．０１と大きい。すなわち、実施例５の障壁層１４１におけるＡｌ組成比の点対称性及び分布は、均一分布（比較例１）や、実施例５と逆の分布（比較例２）よりも、発光光度が大きいことが分かる。
【００７２】
実施例１は、障壁層１４４について、実施例５と同一に、Ａｌ組成比を変化させたものであるが、層１４１と層１４４のバンドギャップは、共に、井戸層１４２のバンドギャップよりも大きい。したがって、層１４１と層１４４は、共に、井戸層１４２に対してキャリアの閉じ込めのための障壁層として機能する。よって、図１１の測定結果から、実施例１の場合においても、実施例５と同一の効果が得られるものと見做される。
【実施例６】
【００７３】
本実施例６は、発光層１０４における障壁層１４１の厚さを変化させたものである。７層ある障壁層１４１であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１のＡｌ組成比ｗは、全て、０．０５とした。第１区分の２層ある障壁層１４１の厚さａを２．０ｎｍ、第２区分の３層ある障壁層１４１の厚さｂを２．４ｎｍ、第３区分の２層ある障壁層１４１の厚さｃを２．８ｎｍとした。すなわち、第１区分の障壁層１４１の厚さａ、第２区分の障壁層１４１の厚さｂ、第３区分の障壁層１４１の厚さｃに対して、ａ＋ｃ＝２ｂ、すなわち、（ｂ−ａ）＝（ｃ−ｂ）＝０．４ｎｍ、とした。すなわち、障壁層１４１の厚さは、第２区分の障壁層１４１の厚さを中心として、第２区分の障壁層１４１の厚さに対する厚さの偏差が対称となるようにした。この場合に、ｐ型クラッド層１０６に近い障壁層１４１の厚さｃを、ｎ型クラッド層１０３に近い障壁層１４１の厚さａよりも厚くした。すなわち、ａ＜ｃとした。他は実施例５と同一構造の実施例６に係る発光素子を製造した。発光層１０４における障壁層１４１と井戸層１４２だけを抽出してバンド構造を表現すると図９のようになる。
【００７４】
発光光度を図１１に示す。この実施例６の発光素子の発光光度は、１．０１８と比較例１よりも大きいことが分かる。同様に、この測定結果から、実施例２の障壁層１４４について、実施例６と同様な厚さの分布をさせた場合にも、同一の効果を奏するものと見做される。
【実施例７】
【００７５】
本実施例７は、実施例６と同様に、発光層１０４における障壁層１４１の厚さを変化させたものである。７層ある障壁層１４１であるＡｌw Ｇａ1-w Ｎ層１４１のＡｌ組成比ｗは、全て、０．０５とした。第１区分の２層ある障壁層１４１の厚さａを２．８ｎｍ、第２区分の３層ある障壁層１４１の厚さｂを２．４ｎｍ、第３区分の２層ある障壁層１４１の厚さｃを２．０ｎｍとした。すなわち、第１区分の障壁層１４１の厚さａ、第２区分の障壁層１４１の厚さｂ、第３区分の障壁層１４１の厚さｃに対して、ａ＋ｃ＝２ｂ、すなわち、（ａ−ｂ）＝（ｂ−ｃ）＝０．４ｎｍ、とした。すなわち、障壁層１４１の厚さは、第２区分の障壁層１４１の厚さを中心として、第２区分の障壁層１４１の厚さに対する厚さの偏差が点対称となるようにした。この場合に、実施例７では、実施例６とは逆に、ｐ型クラッド層１０６に近い障壁層１４１の厚さｃを、ｎ型クラッド層１０３に近い障壁層１４１の厚さａよりも薄くした。すなわち、ｃ＜ａとした。他は実施例５と同一構造の実施例７に係る発光素子を製造した。発光層１０４における障壁層１４１と井戸層１４２だけ抽出してバンド構造を表現すると図１０のようになる。
【００７６】
発光光度を図１１に示す。この実施例７の発光素子の発光光度は、１．０１と比較例１よりも大きいことが分かる。同様に、この測定結果から、実施例３の障壁層１４４について、実施例７と同様な厚さの分布をさせた場合にも、同一の効果を奏するものと見做される。
【００７７】
以上のことから、障壁層１４１の厚さの分布に関しては、図９、１０のように、発光層１０４の厚さの中央ＣＬに対して点対称性があれば、点対称性がない場合（比較例１）よりも発光光度は高いことが分かる。このような障壁層１４１の厚さの分布により発光層１０４の厚さ方向での発光光度を一様化することができるため、発光光度が向上する。
【実施例８】
【００７８】
実施例８は、障壁層１４１のＡｌ組成比に関して、実施例５の構成を用い、障壁層１４１の厚さに関して、実施例６の構成を用いたものである。発光層１０４の障壁層１４１に関して、第１区分の障壁層１４１は、厚さ２．０ｎｍのＡｌ0.083 Ｇａ0.917 Ｎ層１４１とし、層数を２とした。第２区分の障壁層１４１は、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１とし、層数を３とした。第３区分の障壁層１４１は、厚さ２．８ｎｍのＡｌ0.017 Ｇａ0.983 Ｎ層１４１とし、層数は２とした。すなわち、組成比に関して、ｘ＋ｚ＝２ｙ、且つ、ｚ＜ｘ、厚さに関してａ＋ｃ＝２ｂ、且つ、ａ＜ｃとした。この構成の場合には、障壁層１４１は、ｎ型クラッド層１０３に近い方においてＡｌ組成比が大きいため、電子に対する障壁の高さが高く、ｐ型クラッド層１０６に近い方において障壁の高さが低くなる。ｐ型クラッド層１０６に近い方において障壁層１４１の障壁の高さが低くなることによる電子のオーバーフローを抑制するために、障壁層１４１は、ｐ型クラッド層１０６に近い方がその厚さを厚くしている。この結果として、発光光度は、大きくなる。
【００７９】
上記全実施例５−８においては、発光層１０４における障壁層１４１の層数は、第１区分と第３区分で層数が等しいならば、任意で良い。また、障壁層１４１のＡｌの組成比は、ｘ＋ｚ＝２ｙ、且つ、ｚ＜ｘの関係を満たせば任意であるが、１．１≦ｘ／ｙ≦２．２の時に発光光度が高い。ｘ／ｙが１．１より小さくなると、発光層１０４において、Ａｌ組成比を変化させて、井戸層における電子密度を均一化する効果が低くなり望ましくない。また、ｘ／ｙが２．２より大きくなると、井戸層の結晶性が低下するので望ましくない。したがって、上記の範囲が望ましい。
【００８０】
また、障壁層１４１の厚さは、ａ＋ｃ＝２ｂの関係を満たすならば、その厚さの範囲は任意であるが、ａ／ｂを、０．７≦ａ／ｂ≦０．９とすると、発光光度が向上する。ｐ型クラッド層１０６に近い障壁層１４１の厚さを、ｎ型クラッド層１０３に近い障壁層１４１の厚さより厚くする方が、逆の場合より、発光光度は大きい。しかし、両者ともに、障壁層の厚さを一定とした場合よりは、発光光度は大きい。ａ／ｂが０．９を越えると、障壁層１４１の幅の変化が小さくなり、電子を発光層の厚さ方向に一様に閉じ込める効果が小さくなるので、望ましくない。ａ／ｂが０．７より小さいと、厚さの厚い障壁層を越える井戸層へ移動する電子が少なくなり、発光層の厚さ方向における発光領域の均一化を阻害することになる。したがって、ａ／ｂは、上記の範囲が望ましい。
【００８１】
上記全実施例１−８において、ｎ型クラッド層１０３は、ｎ型コンタクト層１０１の側から、ノンドープのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１、ノンドープのＧａＮ層１３２、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３の周期構造としたが、配列に関して、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層、ノンドープのＧａＮ層としても良く、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層、ノンドープのＧａＮ層、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層としても良く、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層、ノンドープのＧａＮ層としても良い。また、Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１にも、Ｓｉをドープして、ｎ型層としても良いし、ＧａＮ層１３３をノンドープとしても良い。また、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３に代えて、ＳｉドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３３としても良いし、そのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１３３はノンドープであっても良い。
【００８２】
ｎ型クラッド層１０３は、１５周期としたが、この周期数は、任意である。例えば、一例であるが、３以上、３０周期以下の範囲とすることができる。また、ノンドープのＧａＮ層１３２の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。ＳｉドープのＧａＮ層１３３の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層１３１の厚さは、１．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とすることができる。
【００８３】
層１３２として、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１３２を用いた場合には、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１３２の組成比ｘは、０．０５以上、１より小さくすることができる。望ましくは、０．１以上、０．８以下である。さらに、望ましくは、０．２以上、０．６以下である。Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１３２をＡｌＮとした場合には、厚さは、０．３ｎｍ程度でも、電子をトンネルさせ、正孔をトンネルさせないようにすることができる。また、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１３２をＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎとした場合には、その層１３２の厚さは２．５ｎｍ程度は必要である。したがって、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１３２の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。ｐ型クラッド層１０６の周期構造の一つの層には、ｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層１６２を用いているので、ｎ型クラッド層１０３のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１３２のＡｌの組成比ｘは、０．１５以上とするのが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、III 族窒化物半導体発光素子において、駆動電圧を上昇させることなく、発光効率を向上させるのに用いることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１００：サファイア基板
１０１：ｎ型コンタクト層
１０２：ＥＳＤ層
１０３：ｎ型クラッド層
１０４：発光層
１０５：ノンドープクラッド層
１０６：ｐ型クラッド層
１０７：ｐ型コンタクト層
１０８：ｐ電極
１３０：ｎ電極
１１０：第１ＥＳＤ層
１１１：第２ＥＳＤ層
１２０：バッファ層
１３１：Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層
１３２：Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層
１３３：ＧａＮ層
【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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【図１１】
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