(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に形成され、複数の量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて構成された活性層と、を含み、
前記複数の量子井戸層及び前記量子障壁層は、第１量子井戸層と、前記ｐ型窒化物半導体層の方向に前記第１量子井戸層に隣接して形成され、前記第１量子井戸層よりも高い量子準位を有する第２量子井戸層と、前記第１量子井戸層と前記第２量子井戸層との間に形成されてキャリアがトンネリングされることができる厚さを有するトンネリング量子障壁層と、を有し、
前記ｐ型窒化物半導体層の方向に前記第２量子井戸層に隣接して形成された量子障壁層は前記トンネリング量子障壁層よりも厚い厚膜層であり、
前記活性層は、前記第１量子井戸層、前記トンネリング量子障壁層、前記第２量子井戸層及び前記厚膜層を一つの単位構造にして、当該単位構造が２回以上反復されて形成されることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記単位構造の反復回数は、２〜３０回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素子。
【請求項３】
前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１量子井戸層の厚さは、２０〜６０Å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素子。
【請求項５】
前記第２量子井戸層の厚さは、１０〜５０Å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素子。
【請求項６】
前記トンネリング量子障壁層の厚さは、１０〜８０Å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素子。
【請求項７】
前記厚膜層の厚さは、３０〜２００Å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素子。
【請求項８】
前記第２量子井戸層の前記量子準位は、ドーピングによる量子準位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素子。
【請求項９】
前記複数の量子井戸層及び前記量子障壁層は、
前記ｎ型窒化物半導体層の方向に前記第１量子井戸層に隣接して形成されて前記第１量子井戸層よりも高い量子準位を有する第３量子井戸層と、前記第１量子井戸層と前記第３量子井戸層との間に形成されてキャリアがトンネリングされることができる厚さを有する第２トンネリング量子障壁層と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記第３量子井戸層の厚さは、１０〜５０Åであることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記第２トンネリング量子障壁層の厚さは、１０〜８０Åであることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関するもので、より詳細には最適化された量子障壁層及び量子井戸層の構造を有する活性層により、特に、高電流作動時に発光効率が向上された窒化物半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種の信号システム及び光通信機器の光源となる緑色または青色発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）として広く使用されている。このような窒化物半導体素子は電子と正孔の再結合の原理を用いて青色及び緑色を含む多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供されることができる。
【０００３】
このような窒化物発光素子（ＬＥＤ）は、技術的発展に伴ってその応用分野が拡大した結果、今では一般照明及び電装用光源としての利用形態が多く研究されている。特に従来では、窒化物発光素子は主に低電流／低出力のモバイル製品に適用される部品として用いられたが、最近では次第にその応用範囲が高電流／高出力の分野に拡大されている。これは、高電流で高効率を有するＬＥＤ構造の開発が迫られていることを意味する。
【０００４】
図１は、一般的な窒化物半導体素子を表す断面図である。図１を参照すると、窒化物半導体素子１０はサファイア基板１１上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層１２、多重量子井戸構造を有する活性層１５、ｐ型窒化物半導体層１７及び透明電極層１８を有する。
【０００５】
ｎ型窒化物半導体層１２の領域の一部は、蝕刻されてｎ型電極１９ａの形成のための領域として提供され、透明電極層１８上にはｐ型電極１９ｂが形成される。活性層１５は、複数の量子井戸層１５ａと量子障壁層１５ｂが交互に積層された多重量子井戸構造からなる。
【０００６】
このような窒化物半導体素子の発光効率は、普通活性層内における電子と正孔の再結合の確率、即ち、内部量子効率により決まる。その内部量子効率を改善する案として、主に活性層自体の構造を改善して発光に寄与する有効キャリア（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｃａｒｒｉｅｒ）の数を増加させる方法が研究されている。なお、活性層で有効キャリアの数を増大させるためには、活性層の外部にオーバーフローするキャリアの数を減少させる必要がある。
【０００７】
しかしながら、活性層内の特定の局部領域でのキャリアの注入が制限されると、活性層全体における有効発光領域が減少する。このような有効発光領域の減少は発光効率の低下と直結するため、活性層全体の領域で再結合が保障されることができる方法が要求されている。
【０００８】
これを、図２ａおよび図２ｂを参照してより具体的に説明する。図２ａ及び図２ｂは夫々従来の技術による窒化物半導体素子の一例で、量子井戸層と量子障壁層を夫々３０Å、１５０Åの厚さで７つのペアで形成した活性層に対するキャリアの波動関数と有効活性領域の分布を示すシミュレーションの結果である。
【０００９】
先ず、図２ａに図示された波動関数（点線：電子、実線：正孔）によると、正孔は電子に比べ相対的に移動度が低いため、ペア（ｐａｉｒ）の数が増加することにより正孔の存在確率は急激に減少するようになる。電子と正孔は、夫々ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層から離れるほどその分布が減少するが、正孔が相対的により急速に減少するため、図２ｂに示されたように、有効な再結合の確率はｐ型窒化物半導体層と近い領域（ＩＩ）に位置した量子井戸層で高い傾向を示す。
【００１０】
このような活性層の有効活性領域が低下する問題は、特に高電流を要求する照明装置等に使用される場合に深刻になる。このため、当技術分野においては高電流作動時に発光効率を向上させることができる多重量子井戸構造が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の一目的は最適化された多重量子井戸構造を有する活性層によって高電流駆動時の発光効率が大きく向上した窒化物半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層及び上記ｎ型窒化物半導体層と上記ｐ型窒化物半導体層との間に形成され、複数の量子井戸層及び量子障壁層が交互に積層されて構成された活性層を含み、上記複数の量子井戸層及び上記量子障壁層は、第１量子井戸層と、上記ｐ型窒化物半導体層の方向に上記第１量子井戸層に隣接して形成されて上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第２量子井戸層と、上記第１量子井戸層と第２量子井戸層との間に形成されキャリアがトンネリングされることができる厚さを有するトンネリング量子障壁層と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態においては、上記ｐ型窒化物半導体層の方向に上記第２量子井戸層に隣接して形成された量子障壁層は、上記トンネリング量子障壁層よりも厚い厚膜層であってもよい。
【００１４】
また、上記活性層は、上記第１量子井戸層、上記トンネリング量子障壁層、上記第２量子井戸層及び上記厚膜層を一つの単位構造にして上記単位構造が１回以上反復された形成されたものが好ましい。
【００１５】
このような場合、上記単位構造の反復回数は１〜３０回であることが好ましい。量子準位の調節のための側面において、上記第２量子井戸層は上記第１量子井戸層より薄いものが好ましい。
【００１６】
具体的には、上記第１量子井戸層の厚さは２０〜６０Åとすることができる。また、上記第２量子井戸層の厚さは１０〜５０Åとすることができる。
【００１７】
また、上記トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åとすることができる。また、上記厚膜層の厚さは３０〜２００Åとすることができる。
【００１８】
実施形態によっては、上記第２量子井戸層の上記量子準位はドーピングによる量子準位であってもよい。
【００１９】
一方、上記複数の量子井戸層及び量子障壁層は、上記ｎ型窒化物半導体層の方向に上記第１量子井戸層に隣接して形成されて上記第１量子井戸層より高い量子準位を有する第３量子井戸層と、上記第１量子井戸層と上記第３量子井戸層との間に形成されキャリアがトンネリングされることができる厚さを有する第２トンネリング量子障壁層をさらに含むことが好ましい。
【００２０】
この場合、上記第３量子井戸層の厚さは１０〜５０Åとすることができる。また、上記第２トンネリング量子障壁層の厚さは１０〜８０Åとすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、最適化された多重量子井戸構造を有する活性層によって高電流作動時にも発光効率が大きく向上された窒化物半導体素子を提供することができる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、窒化物半導体素子を構成する半導体の単結晶の結晶品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変更されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張しており、図面上に同じ符号で表示される要素は同じ要素である。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を示す断面図で、図４は、図３でＡと表示した領域を拡大して表したものである。
【００２５】
先ず、図３を参照すると、窒化物半導体素子３０は、基板３１、ｎ型窒化物半導体層３２、活性層３００及びｐ型窒化物半導体層３７を含む。
【００２６】
露出されたｎ型窒化物半導体層３２上面にｎ型電極３９ａを形成することができる。また、ｐ型窒化物半導体層３７上面に、透明電極層３８とｐ型電極３９ｂとを順に形成してもよい。
【００２７】
本実施形態では、ｎ型電極３９ａ及びｐ型電極３９ｂが同じ方向を向くように配置された水平型窒化物半導体素子の構造を例示したが、本発明はこれに限定されず、垂直構造の窒化物半導体素子にも適用されることができるということは当業者であれば容易に理解することができる。
【００２８】
基板３１は、窒化物単結晶の成長用基板として提供され、一般的にサファイア基板が使用される。しかしながら、他にも、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２及びＬｉＧａＯ２等からなる基板も使用可能である。
【００２９】
図示はしていないが、実施形態によっては、基板３１上に成長される窒化物半導体単結晶の結晶品質の向上のためのバッファ層、例えば、アンドープＧａＮ層を成長させることもできる。
【００３０】
窒化物半導体層３２ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３７はＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有するｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表的なものとして、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅまたはＣ等が使用されることができ、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、ＺｎまたはＢｅ等が代表的である。
【００３１】
上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３２、３７の間に形成される活性層３００は電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、図３に図示されたように、複数の量子井戸層と複数の量子障壁層が交代で積層された多重量子井戸構造からなる。
【００３２】
特に、本実施形態の場合、上記複数の量子井戸層及び量子障壁層は夫々２つずつで総４つの層が一つの単位３５として反復された構造を有し、上記反復構造は活性層内でキャリアの移動を円滑にするためである。
【００３３】
量子井戸層と量子障壁層の４層単位構造３５を詳細に説明するために図３でＡと表示した領域を図４に拡大して図示した。
【００３４】
図４に図示されるように、本実施形態で採用された多重量子井戸構造は、２つの量子井戸層３５ａ、３５ｃと２つの量子障壁層３５ｂ、３５ｄから構成された４層単位構造３５が反復して形成される。
【００３５】
以下においては、量子井戸層及び量子障壁層３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄの機能を考慮して、夫々を、第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ、第２量子井戸層３５ｃ及び厚膜層３５ｄと称する。
【００３６】
第１量子井戸層３５ａは、ｎ型窒化物半導体層３２に隣接する層でｎ型窒化物半導体層３２から電子が最も優先的に注入され、４層単位構造３５で主な発光層として機能する。
【００３７】
トンネリング量子障壁層３５ｂは、第１量子井戸層３５ａまたは第２量子井戸層３５ｃからのキャリアがトンネリングされることができる厚さｄ２を有し、これにより、キャリアが隣接した量子井戸層に円滑に移動することができるようにする。
【００３８】
第２量子井戸層３５ｃは、第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有する。このため、本実施形態では第１量子井戸層３５ａより第２量子井戸層３５ｃが薄さｄ３を有するようにした。後述するように、第２量子井戸層３５ｃは高い量子準位によりキャリアが隣接した量子井戸層に容易に移動できるように主に階段の役割をし、発光機能は第１量子井戸層３５ａに比べて微々たることを特徴とする。
【００３９】
厚膜層３５ｄは、それ以前に積層される第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ及び第２量子井戸層３５ｃの厚さが数十Å単位でその結晶品質が低下するという問題を解決するために提供される量子障壁層である。即ち、本実施形態による多重量子井戸構造では第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ及び第２量子井戸層３５ｃの構造的特性によって活性層内でキャリアの移動が増進されることができ、これにより、隣接した量子障壁層である上記厚膜層３５ｄを相対的に厚く成長させることができる。
【００４０】
従って、厚膜層３５ｄは、トンネリング量子障壁層３５ｂよりもその厚さｄ４が厚く採用される。但し、厚膜層３５ｄの適切な厚さによる限定は、本発明で必須的なものではなく、活性層３００の厚さ及び後述する青方偏移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）現象等を考慮し、適切にその厚さを調節することができる。
【００４１】
以下、図５を参照して上記した４層単位構造３５の機能をより詳細に説明する。図５は、図４に図示された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーのレベルを図示したものである。説明の便宜のためにキャリアとして電子の移動の姿のみを図示した。
【００４２】
先ず、第１量子井戸層３５ａに注入された電子ｅ-中の一部は、正孔との発光性の再結合により所定波長の光を放出する。多くの量の電子が注入されると、上記第１量子井戸層３５ａのエネルギー準位Ｅ０、Ｅ１は全て電子で満たされ、剰余電子は隣接したトンネリング量子障壁層３５ｂをトンネリングして第２量子井戸層３５ｃに注入される。
【００４３】
この場合、後述するように、第２量子井戸層３５ｃは第１量子井戸層３５ａに比べ高い量子準位を有し、これにより第１量子井戸層３５ａの高次量子準位から第２量子井戸層３５ｃの０次量子準位Ｅ’０により容易に電子がトンネリングされることができる。
【００４４】
このようなトンネリング機能を行うためにトンネリング量子障壁層３５ｂの厚さｄ２は約１０〜８０Åの値を有する。また、第１量子井戸層３５ａは量子効果により高い内部量子効率を有するために厚さｄ１が約２０〜６０Åの値を有する。
【００４５】
トンネリングによって第２量子井戸層３５ｃに注入された電子は第１量子井戸層３５ａに比べて高い量子準位を有する。これは上述のように、隣接した他の量子井戸層、具体的には後述するように、厚さが厚くてトンネリングが困難な厚膜層３５ｄを超えてさらに他の第１量子井戸層に電子が容易に移動できるように階段のような役割をすると理解することができる。
【００４６】
このような高い量子準位を得るために第２量子井戸層３５ｃは第１量子井戸層３５ａより厚さが薄いことが好ましい。具体的には、第２量子井戸層３５ｃの厚さｄ３は約１０〜５０Å程度の値を有する。
【００４７】
このように、第２量子井戸層３５ｃの高い量子準位によって隣接した量子井戸層への注入効率を向上することができ、これにより、活性層全体的に有効発光領域が拡大される。
【００４８】
一方、第２量子井戸層３５ｃの高い量子準位は厚さを相対的に薄くすることのみにより達成されることができるものではなく、適切な物質のドーピングやインジウムまたはアルミニウムの含量を調節する方法等を通じても得ることができる。
【００４９】
厚膜層３５ｄはその厚さが薄いもの、例えば第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ及び第２量子井戸層３５ｃの厚さと同じ水準を有することが隣接した量子井戸層への電子注入に有利であるが、本実施形態の場合は結晶品質の改善に注目した。
【００５０】
換言すれば、相対的に厚さが薄く形成された第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ及び第２量子井戸層３５ｃの結晶品質は優れておらず、このような薄い層が連続して繰り返し積層される場合には、キャリア注入の効率が向上する一方で結晶品質は低下する。この場合、結果的に、全体的な発光効率の向上効果は大きくならない。
【００５１】
従って、厚膜層３５ｄは前に積層された第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ及び第２量子井戸層３５ｃに比べて厚いことが好ましい。
【００５２】
但し、厚くなりすぎると、図９と関連して説明するように、注入される電流が増加するにつれ放出される光の波長の青方偏移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）現象が深刻になる。これを考えると、厚膜層３５ｄの厚さｄ４は約３０〜２００Å程度の値を有することが好ましい。
【００５３】
これと共に、本実施形態で採用された多重量子井戸構造は、第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ、第２量子井戸層３５ｃ及び厚膜層３５ｄを一つの単位構造３５にして、この単位構造３５が複数回反復されたことを特徴とする。これにより、量子井戸層間のキャリアの移動性と半導体結晶の品質が全て改善されることができ、特に、高電流作動時に優れた発光効率の向上効果を得ることができる。
【００５４】
この場合、単位構造３５は活性層３００内に１つのみが含まれることもでき、複数回反復されることもできる。単位構造３５の最適な反復回数は素子が駆動される電流密度により異なり、一般的には電流密度が高いほど最適な反復回数は増加する。複数回反復される場合は、反復回数が３０回以下、即ち、夫々量子井戸層と量子障壁層が６０個以下であるのが好ましい。
【００５５】
一方、第１量子井戸層３５ａ、トンネリング量子障壁層３５ｂ、第２量子井戸層３５ｃ及び厚膜層３５ｄは、例えば、ＩｎＧａＮとＧａＮが反復積層された構造であり、その正確な組成等は要求される発光波長により適切に選ぶことができる。
【００５６】
図６は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子で採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーのレベルを図示したものである。
【００５７】
本実施形態は、多重量子井戸構造を構成する単位構造は上述した実施形態と比べて２つの層が追加された点で異なる。
【００５８】
即ち、図６に図示されたように、本実施形態の多重量子井戸構造をなす単位構造６５は、図５に図示された単位構造と同じものに相当する第１量子井戸層６５ｃ、第１トンネリング量子障壁層６５ｄ、第２量子井戸層６５ｅ及び厚膜層６５ｆを含み、さらに、第３量子井戸層６５ａと第２トンネリング量子障壁層６５ｂを含む。
【００５９】
本実施形態は、電子の移動問題の他に正孔の移動まで考慮したもので、正孔の移動経路上に量子準位が高い第３量子井戸層６５ａをさらに配置し、正孔が隣接した量子井戸層に容易に注入されるようにし、第２トンネリング量子障壁層６５ｂは第１トンネリング量子障壁層６５ｄと同じ目的で採用されたものである。
【００６０】
即ち、注入効率の向上の対象になるキャリアが相違するだけで、第３量子井戸層６５ａと第２トンネリング量子障壁層６５ｂは夫々第２量子井戸層６５ｅと第１トンネリング量子障壁層６５ｄに夫々対応すると理解することができる。
【００６１】
従って、図６の場合も全体的なキャリアの流れは図５の場合と似ている。但し、第３量子井戸層６５ａに注入された電子ｅ-はトンネリングにより第１量子井戸層６５ｃに注入される。従って、図５の場合と同様に、本実施形態でも主な発光層は第１量子井戸層６５ｃになる。
【００６２】
第１量子井戸層６５ｃ以後のキャリアの移動及び各層の機能と関わる説明は上述した実施形態に対する説明で代替可能であるため省略する。
【００６３】
図７ａは従来の多重量子井戸構造のＨＲ−ＴＥＭの写真を示す図であり、図７ｂは図３に示した実施形態の多重量子井戸構造のＨＲ−ＴＥＭの写真を示す図である。
【００６４】
図７ａを参照すると、従来の技術による多重量子井戸構造は、２０〜３０Å厚さの量子井戸層と量子障壁層が交互に反復積層された、いわゆる、超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造に該当する。ここで、相対的に暗い部分が量子井戸層で、明るい部分が量子障壁層である。
【００６５】
これに対し、図７ｂに示された多重量子井戸構造は夫々２つずつの量子井戸層と量子障壁層から構成された４つの層が一つの単位を成し反復された構造で、図示されたように、相対的に薄い３つの層と厚膜層に該当する厚い量子障壁層をみることができる。
【００６６】
以下では、本発明の実施形態による多重量子井戸構造が従来の技術と比べて、どの程度の性能向上をみせるかについて説明する。図８ａと図８ｂは、従来の発光素子の発光強度と本発明による実施形態にかかる発光素子の発光強度とを比較したグラフである。
【００６７】
先ず、図８ａの場合は１ｍｍ×１ｍｍの大きさのチップに電流密度を１０Ａ／ｃｍ２にして実施例と比較例を比較したものである。ここで、実施例の場合は図３に示された構造のように４つの層を単位構造にして第１量子井戸層の厚さは３０Å、トンネリング量子障壁層の厚さは３０Å、第２量子井戸層の厚さは２０Å、厚膜層の厚さは９０Åにし、単位構造の反復回数は５回である。
【００６８】
一方、比較例の場合は量子井戸層と量子障壁層の厚さが全て３０Åである超格子構造を有し、活性層全体の厚さが実施例と同一になるように量子井戸層と量子障壁層の対を１４回反復した。
【００６９】
図８ａに示されるように、実施例の場合が比較例に比べ発光強度が平均的に約２２％増加されたことが分かる。これは、超格子構造の多重量子井戸構造の場合、トンネリングによるキャリア注入の効率は向上するが、結晶品質の低下により発光効率が実施例に比べて低下したことと理解することができる。
【００７０】
これに比べ、図３に図示された構造を有する実施例の場合は、トンネリング、量子準位の上昇によるキャリア移動の容易性確保及び結晶品質の改善効果を全て表すように設計されたもので、優れた発光効率を表す。
【００７１】
図８ｂは、高電流密度（３５Ａ／ｃｍ２）における実験結果である。実施例１及び比較例は、図８ａで説明した実施例及び比較例と夫々同じ構造を有する。実施例２は、図３に示された構造のように４つの層を単位構造にして第１量子井戸層の厚さは３０Å、トンネリング量子障壁層の厚さは３０Å、第２量子井戸層の厚さは２０Å、厚膜層の厚さは５０Åにした。３つの場合全てに対して夫々の活性層の厚さの偏差を最小にするために単位構造の反復回数を、実施例１は５回、実施例２は７回、比較例は１４回にした。
【００７２】
実験結果をみると、高い電流密度で実施例の場合が発光強度の上昇傾向がはっきりしており、特に、厚膜層を厚くする場合よりは相対的に薄くする代わりに単位構造の反復回数を増加させることが高い電流密度の条件でより発光効率の向上に適合することが分かる。
【００７３】
図９は、本発明の多重量子井戸構造で厚膜層の厚さによる発光波長の変化を示すグラフである。図９において、ＡとＢで表示したものは、比較例に該当し、全て量子障壁層の厚さが３０Åの場合である。実施例に該当するＣ、Ｄグラフは厚膜層の厚さが夫々５０Å、９０Åに該当する。
【００７４】
図９の結果をみると、厚膜層の厚さが増加するほど、特に、高電流作動時に青方偏移現象が深刻になることが分かる。これにより、最適の厚膜層の厚さは、上記実験結果と圧膜層の発光効率の向上効果を考慮し、実際の素子作用時に印加される電流密度等を全て考慮して決めなければならない。これを考慮すると、厚膜層の厚さは３０〜２００Å程度にすることが好ましいことが分かる。
【００７５】
本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、上述の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で当技術分野において通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】一般的な窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図２ａ】従来の技術による窒化物半導体素子において、活性層に対するキャリアの波動関数の分布を示すシミュレーションの結果を示す図である。
【図２ｂ】従来の技術による窒化物半導体素子において、活性層に対する有効活性領域の分布を示すシミュレーションの結果を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図４】図３でＡと表示した領域を拡大して示した図である。
【図５】図４に示された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーのレベルを示した図である。
【図６】本発明の他の実施形態による窒化物半導体素子で採用された多重量子井戸構造の伝導帯域エネルギーのレベルを示した図である。
【図７ａ】従来の多重量子井戸構造のＨＲ−ＴＥＭの写真を示す図である。
【図７ｂ】本実施形態による多重量子井戸構造のＨＲ−ＴＥＭの写真を示す図である。
【図８ａ】従来技術と本発明による実施形態との発光強度を比較して示したグラフ図である。
【図８ｂ】従来技術と本発明による実施形態との発光強度を比較して示したグラフ図である。
【図９】本発明の多重量子井戸構造で結晶品質の改善層の厚さによる発光波長の変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００７７】
３１  基板
３２  ｎ型窒化物半導体層
３００  活性層
３５  単位構造
３７  ｐ型窒化物半導体層
３８  透明電極層
３９ａ  ｎ型電極
３９ｂ  ｐ型電極
３５ａ  第１量子井戸層
３５ｂ  トンネリング量子障壁層
３５ｃ  第２量子井戸層
３５ｄ  結晶品質の改善層
６５ａ  第３量子井戸層
６５ｂ  第２トンネリング量子障壁層
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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