(57)【要約】【課題】高いキャリア注入効率を有しており、ＩｎＡｌＧａＮ半導体層を含む発光層を備える窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】ＩｎＡｌＧａＮ層１９は量子井戸発光層１３とｎ型窒化ガリウム系半導体層１５との間に設けられる。量子井戸発光層１３の酸素濃度はＩｎＡｌＧａＮ層１９の酸素濃度より低い。量子井戸発光層１３はｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１７とＩｎＡｌＧａＮ層１９との間に設けられる。ＩｎＡｌＧａＮ層１９のインジウム組成はＩｎＡｌＧａＮ井戸層１３ａのインジウム組成よりも大きい。ＩｎＡｌＧａＮ層１９のインジウム組成はＩｎＡｌＧａＮ障壁層１３ｂのインジウム組成よりも大きい。ＩｎＡｌＧａＮ井戸層１３ａのアルミニウム組成はＩｎＡｌＧａＮ層１９のアルミニウム組成よりも小さい。ＩｎＡｌＧａＮ障壁層１３ｂのアルミニウム組成はＩｎＡｌＧａＮ層１９のアルミニウム組成よりも小さい。【選択図】図１
2007201195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層（１＞Ｘ１＞０、１＞Ｙ１＞０）とＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層（１＞Ｘ２＞０、１＞Ｙ２＞０）とを含む量子井戸発光層と、
前記量子井戸発光層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられたＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層（１＞Ｘ３＞０、１＞Ｙ３＞０）と、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層の材料の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有するｐ型ＡｌＧａＮ半導体層と
を備え、
前記量子井戸発光層は、前記ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層と前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層との間に設けられており、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３は、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のインジウム組成Ｘ１よりも大きく、
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３は、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のインジウム組成Ｘ２よりも大きく、
前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のアルミニウム組成Ｙ１は、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さく、
前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のアルミニウム組成Ｙ２は、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さく、
前記量子井戸発光層の酸素濃度は、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度より低い、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度は１×１０２０ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記量子井戸発光層の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３より小さい、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記量子井戸発光層の酸素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
III族窒化物支持基体を更に備え、
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層と前記III族窒化物基板との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記III族窒化物支持基体は窒化ガリウム支持基体である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された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、窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ダブルヘテロ接合構造の発光部を具備する窒化物半導体発光素子が記載されている。窒化物半導体発光素子は、酸素原子濃度をＱａ（原子／ｃｍ３）とし、インジウム（Ｉｎ）組成比を相違する主体相と従属相とから成る多相構造のｎ形ＩｎＧａＮからなる発光層を含む。発光層は、酸素原子濃度をＱａ以下のＱｃ（原子／ｃｍ３）とするIII 族窒化物半導体から成るｎ形クラッド層と、酸素原子濃度をＱｃ以上でＱａ以下のＱｐ（原子／ｃｍ３）とするIII 族窒化物半導体から成るｐ形クラッド層とに挟持されている。
【特許文献１】特開２０００−１６４９２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１では、酸素濃度ＱａのＩｎＧａＮ発光層は、酸素原子濃度をＱａ以下の酸素原子濃度Ｑｃのｎ形クラッド層と、酸素原子濃度をＱｃ以上酸素原子濃度Ｑａ以下の酸素原子濃度Ｑｐのｐ形クラッド層とに挟持されている。また、特許文献１は、ＩｎＡｌＧａＮ半導体層を含む発光層については何ら教示しない。
【０００４】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、高いキャリア注入効率を有しており、ＩｎＡｌＧａＮ半導体層を含む発光層を備える窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面によれば、窒化物半導体発光素子は、（ａ）ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層（１＞Ｘ１＞０、１＞Ｙ１＞０）とＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層（１＞Ｘ２＞０、１＞Ｙ２＞０）とを含む量子井戸発光層と、（ｂ）ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｃ）前記量子井戸発光層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられたＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層（１＞Ｘ３＞０、１＞Ｙ３＞０）と、（ｄ）前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層の材料の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を有するｐ型ＡｌＧａＮ半導体層とを備え、前記量子井戸発光層は前記ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層と前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層との間に設けられており、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３は前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のインジウム組成Ｘ１よりも大きく、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３は前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のインジウム組成Ｘ２よりも大きく、前記ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のアルミニウム組成Ｙ１は、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さく、前記ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のアルミニウム組成Ｙ２は前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さく、前記量子井戸発光層の酸素濃度は前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度より低い。
【０００６】
この窒化物半導体発光素子によれば、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３はＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のインジウム組成Ｘ１よりも大きいだけでなく、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のインジウム組成Ｘ２よりも大きいので、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層は優れた緩衝効果を有する。これ故に、発光層の結晶性が良好にできる。
【０００７】
また、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のインジウム組成Ｘ１がＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３より小さく、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のインジウム組成Ｘ２がＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３より小さいので、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のアルミニウム組成Ｙ１をＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さくすると共に、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のアルミニウム組成Ｙ２をＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さくして、所望の禁制帯幅を有するＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層およびＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層を得ることができる。
【０００８】
さらに、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のアルミニウム組成Ｙ１およびＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のアルミニウム組成Ｙ２が共にＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さいので、量子井戸発光層の酸素濃度をＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度より低くできる。
【０００９】
量子井戸発光層のＩｎＡｌＧａＮ半導体においてｎ型ドーパントとして作用する酸素濃度が小さくなるので、ｐ型ＡｌＧａＮ層への電子の漏れが減少し、発光効率が高まる。
【００１０】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。酸素濃度を１×１０１８ｃｍ−３未満にするためには、成長温度を増加させてインジウム組成を小さくする必要がある。しかしながら、酸素濃度を１×１０１８ｃｍ−３未満にするためにインジウム組成を小さくすると、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の緩衝能力が下がる。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度は１×１０２０ｃｍ−３以下であることが好ましい。酸素濃度を１×１０２０ｃｍ−３を越えて大きくすると、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層自体の結晶品質が下がり、この結晶品質の低下は、発光層の結晶品質に影響する。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記量子井戸発光層の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３より小さいことが好ましい。量子井戸発光層が１×１０１８ｃｍ−３以上の酸素濃度になると、量子井戸発光層の結晶品質に影響を及ぼすとともに、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層への電子の漏れが増加する。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記量子井戸発光層の酸素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましい。１×１０１６ｃｍ−３未満の酸素濃度にするためには成長温度を高くする必要があり、その場合インジウム組成が低くなり、発光効率が低下する。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、III族窒化物支持基体を更に備えることができる。前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は前記ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層と前記III族窒化物基板との間に設けられていることができる。III族窒化物支持基体を用いることにより、良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体の成長を提供できる。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記III族窒化物支持基体は窒化ガリウム支持基体であることが好ましい。低転位密度の支持基体が提供される。
【００１６】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、ＩｎＡｌＧａＮ半導体層を含む発光層を備え高いキャリア注入効率を有する窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す図面である。窒化物半導体発光素子１１は、量子井戸発光層１３と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５と、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１７とを備える。量子井戸発光層１３は、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（１＞Ｘ１＞０、１＞Ｙ１＞０）井戸層１３ａとＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（１＞Ｘ２＞０、１＞Ｙ２＞０）障壁層１３ｂとを含む。また、窒化物半導体発光素子１１は、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ（１＞Ｘ３＞０、１＞Ｙ３＞０）層１９を含む。ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９は、量子井戸発光層１３とｎ型窒化ガリウム系半導体層１５との間に設けられている。ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１７は、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂの材料の禁制帯幅ＥＢより大きい禁制帯幅ＥＣＰを有する。量子井戸発光層１３はｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１７とＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９との間に設けられている。ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のインジウム組成Ｘ３はＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層１３ａのインジウム組成Ｘ１よりも大きい。ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のインジウム組成Ｘ３はＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂのインジウム組成Ｘ２よりも大きい。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層１３ａのアルミニウム組成Ｙ１はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さい。ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂのアルミニウム組成Ｙ２はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さい。量子井戸発光層１３の酸素濃度はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９の酸素濃度より低い。
【００２０】
この窒化物半導体発光素子１１によれば、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のインジウム組成Ｘ３はＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層１３ａのインジウム組成Ｘ１よりも大きいだけでなく、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂのインジウム組成Ｘ２よりも大きいので、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９は優れた緩衝効果を有する。これ故に、量子井戸発光層１３の結晶性および発光特性が良好にできる。
【００２１】
また、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層１３ａのインジウム組成Ｘ１がＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のインジウム組成Ｘ３より小さく、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂのインジウム組成Ｘ２がＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のインジウム組成Ｘ３より小さいので、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層１３ａのアルミニウム組成Ｙ１をＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さくすると共に、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂのアルミニウム組成Ｙ２をＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さくして、所望の禁制帯幅ＥＷ、ＥＢをそれぞれ有するＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層およびＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層を得ることができる。
【００２２】
さらに、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層１３ａのアルミニウム組成Ｙ１およびＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層１３ｂのアルミニウム組成Ｙ２が共にＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さいので、量子井戸発光層１３の酸素濃度Ｎ１３をＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層の酸素濃度Ｎ１９より低くできる。量子井戸発光層１３のＩｎＡｌＧａＮ半導体においてｎ型ドーパントとして作用する酸素濃度が小さくなるので、ｐ型ＡｌＧａＮ層への電子の漏れが減少し、発光効率が高まる。
【００２３】
窒化物半導体発光素子１１では、量子井戸発光層１３は、紫外線波長領域の光を発生するように構成されている。好ましくは、ピーク発光波長は、２６０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の範囲にある。量子井戸発光層１３は量子井戸構造を有するので、井戸層の禁制帯幅および／または組成、障壁層の禁制帯幅および／または組成を調整することによって紫外線波長領域において所望の波長の光を発生するように構成される。
【００２４】
窒化物半導体発光素子１１は、III族窒化物支持基体２１を更に備えることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１５はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９とIII族窒化物支持基体２１との間に設けられることができる。III族窒化物支持基体２１を用いることにより、良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体の成長を提供できる。好ましくは、III族窒化物支持基体２１は、ｎ型窒化ガリウム支持基体である。低転位密度の支持基体が窒化物半導体発光素子１１に提供される。
【００２５】
窒化物半導体発光素子１１は、III族窒化物支持基体２１上に設けられたバッファ層２３をさらに含むことができる。バッファ層２３は、ｎ型窒化ガリウム系半導体から成る。ｎ型窒化ガリウム系半導体は、例えばｎ型ＧａＮまたはｎ型ＡｌＧａＮである。
【００２６】
窒化物半導体発光素子１１は、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１７上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層２５を含むことができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層２５は、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１７の禁制帯幅よりも小さい禁制帯場を有しており、例えばＡｌＧａＮまたはＧａＮである。
【００２７】
窒化物半導体発光素子１１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２５上に設けられた第１の電極２７と、III族窒化物支持基体２１の裏面に設けられた第２の電極２９とを含む。第１の電極２７はアノード電極として働き、第２の電極２９はカソード電極として働く。アノード電極とカソード電極との間に電圧を印加すると、量子井戸発光層１３にキャリアが注入され、キャリアの再結合により光Ｌが発生する。
【００２８】
窒化物半導体発光素子１１では、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９の酸素濃度Ｎ１９は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。酸素濃度を１×１０１８ｃｍ−３未満にするためには、成長温度を増加させてインジウム組成を小さくする必要がある。しかしながら、酸素濃度を１×１０１８ｃｍ−３未満にするためにインジウム組成を小さくすると、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９の緩衝能力が下がる。
【００２９】
窒化物半導体発光素子１１では、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９の酸素濃度Ｎ１９は１×１０２０ｃｍ−３以下であることが好ましい。酸素濃度を１×１０２０ｃｍ−３を越えて大きくすると、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層１９自体の結晶品質が下がり、この結晶品質の低下は、量子井戸発光層の結晶品質に影響する。
【００３０】
窒化物半導体発光素子１１では、量子井戸発光層１３の酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３より小さいことが好ましい。量子井戸発光層１３が１×１０１８ｃｍ−３以上の酸素濃度になると、量子井戸発光層１３の結晶品質に影響を及ぼすとともに、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層への電子の漏れが増加する。
【００３１】
窒化物半導体発光素子１１では、量子井戸発光層１３の酸素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましい。１×１０１６ｃｍ−３未満の酸素濃度にすると、インジウム組成が低くなり、発光効率が低下する。
【００３２】
また、窒化物半導体発光素子１１では、井戸層１３ａの酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３より小さいことが好ましい。井戸層１３ａが１×１０１８ｃｍ−３以上の酸素濃度になると、井戸層１３ａの結晶品質に影響を及ぼすとともに、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層への電子の漏れが増加する。
【００３３】
窒化物半導体発光素子１１では、井戸層１３ａの酸素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましい。１×１０１６ｃｍ−３未満の酸素濃度にするためには成長温度を高くする必要があり、その場合、インジウム組成が低くなり、発光効率が低下する。
【００３４】
さらに、窒化物半導体発光素子１１では、障壁層１３ｂの酸素濃度は１×１０１８ｃｍ−３より小さいことが好ましい。障壁層１３ｂが１×１０１８ｃｍ−３以上の酸素濃度になると、障壁層１３ｂの結晶品質に影響を及ぼすとともに、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層への電子の漏れが増加する。
【００３５】
窒化物半導体発光素子１１では、障壁層１３ｂの酸素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましい。１×１０１６ｃｍ−３未満の酸素濃度にするためには成長温度を高くする必要があり、その場合、インジウム組成が低くなり、発光効率が低下する。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照しながら、窒化物半導体発光素子の作製方法を説明する。窒化ガリウムウエハ３１を準備する。窒化ガリウムウエハ３１は導電性を有しており、ｎ型ＧａＮからなる。窒化ガリウムウエハ３１を有機金属気相成長炉内に配置する。まず、有機金属気相成長炉を用いて窒化ガリウムウエハ３１のサーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングのために、有機金属気相成長炉の温度を摂氏１０５０度に設定する。有機金属気相成長炉にはアンモニアおよび水素（ＮＨ３＋Ｈ２）を含むガスを供給して、例えば１０分間、窒化ガリウムウエハ３１の熱処理を行う。
【００３７】
この後に、図２（Ａ）に示されるように、有機金属気相成長炉を用いてｎ型ＧａＮ膜３３を窒化ガリウムウエハ３１上に成長する。この成長は、例えば摂氏１１５０度において行われ、ｎ型ＧａＮ膜３３の厚さは例えば２マイクロメートルである。次いで、有機金属気相成長炉を用いてｎ型ＡｌＧａＮ膜３５をｎ型窒化ガリウム膜３３上に成長する。この成長は、例えば摂氏１０８０度において行われる。ｎ型ＡｌＧａＮ膜３５の組成は例えばＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎであり、その厚さは例えば３０ナノメートルである。
【００３８】
図２（Ｂ）に示されるように、有機金属気相成長炉を用いてｎ型ＩｎＡｌＧａＮ緩衝膜３７（第１の実施の形態の記述と同様に、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層（１＞Ｕ３＞０、１＞Ｖ３＞０）と記す）をｎ型ＡｌＧａＮ膜３５上に成長する。この成長は、例えば摂氏７８０度において行われる。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ緩衝膜３７の組成は例えばｎ型Ｉｎ０．０５Ａｌ０．２４Ｇａ０．７１Ｎ膜３７であり、その厚さは例えば３５ナノメートルである。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｂが得られる。
【００３９】
次いで、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照しながら量子井戸発光領域の形成を説明する。まず、図３（Ａ）に示されるように、構造１のための量子井戸発光領域３９をエピタキシャル基板Ｂ上に成長する。量子井戸発光領域３９は、井戸層３９ａおよび障壁層３９ｂを含む。井戸層３９ａは、ＩｎＵ１ＡｌＶ１Ｇａ１−Ｕ１−Ｖ１Ｎ井戸層（１＞Ｕ１＞０、１＞Ｖ１＞０）から成る。障壁層３９ｂは、ＩｎＵ２ＡｌＶ２Ｇａ１−Ｕ２−Ｖ２Ｎ障壁層（１＞Ｕ２＞０、１＞Ｖ２＞０）から成る。量子井戸発光領域３９の形成温度は、ＩｎＡｌＧａＮ緩衝膜３７の成長温度と実質的に同じ温度で行われる。本実施例では、量子井戸発光領域３９の成長は、例えば摂氏７８０度において行われる。一実施例では井戸層３９ａの組成はＩｎ０．０６Ａｌ０．１９Ｇａ０．７５Ｎ井戸層であり、また障壁層３９ｂの組成はＩｎ０．０５Ａｌ０．２４Ｇａ０．７１Ｎ障壁層である。Ｉｎ０．０６Ａｌ０．１９Ｇａ０．７５Ｎ井戸層の厚さは２．５ナノメートルであり、Ｉｎ０．０５Ａｌ０．２４Ｇａ０．７１Ｎ障壁層の厚さは１５ナノメートルである。
【００４０】
図３（Ｂ）に示されるように、電子ブロックのためのｐ型ＡｌＧａＮ膜４１を有機金属気相成長炉を用いて形成する。この成長は、例えば摂氏１０３０度において行われる。ｐ型ＡｌＧａＮ膜４１の組成は例えばＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎであり、ｐ型ＡｌＧａＮ膜４１の厚さは例えば２５ナノメートルである。次いで、良好なオーミックコンタクトを形成するためのｐ型ＡｌＧａＮ膜４３を有機金属気相成長炉を用いて形成する。この成長は、例えば摂氏１０３０度において行われる。ｐ型ＡｌＧａＮ膜４３の組成は例えばＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎであり、ｐ型ＡｌＧａＮ膜４３の厚さは例えば６０ナノメートルである。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｂ１が得られる。
【００４１】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照しながら、構造２のための量子井戸発光領域４５の形成を説明する。量子井戸発光領域４５をエピタキシャル基板Ｂ上に成長する。量子井戸発光領域４５は、井戸層４５ａおよび障壁層４５ｂを含む。井戸層４５ａは、ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層（１＞Ｘ１＞０、１＞Ｙ１＞０）から成る。障壁層４５ｂは、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層（１＞Ｘ２＞０、１＞Ｙ２＞０）から成る。量子井戸発光領域４５の形成温度は、ＩｎＡｌＧａＮ緩衝膜３７の成長温度よりも高い温度で行われる。本実施例では、量子井戸発光領域４５の成長は、例えば摂氏８３０度において行われる。このとき、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３はＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のインジウム組成Ｘ１よりも大きく、ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のインジウム組成Ｘ３はＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のインジウム組成Ｘ２よりも大きい。ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層のアルミニウム組成Ｙ１はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さく、ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層のアルミニウム組成Ｙ２はＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層のアルミニウム組成Ｙ３よりも小さい。一実施例では井戸層４５ａの組成はＩｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８１Ｎ井戸層である。障壁層４５ｂの組成はＩｎ０．０２Ａｌ０．２２Ｇａ０．７６Ｎ障壁層である。Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０９Ｇａ０．８１Ｎ井戸層の厚さは２．７ナノメートルであり、Ｉｎ０．０２Ａｌ０．２２Ｇａ０．７６Ｎ障壁層の厚さは１５ナノメートルである。
【００４２】
図４（Ｂ）に示されるように、電子ブロックのためのｐ型ＡｌＧａＮ膜４７を有機金属気相成長炉を用いて形成する。この成長は、例えば摂氏１０３０度において行われる。ｐ型ＡｌＧａＮ膜４７の組成は例えばＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎであり、ｐ型ＡｌＧａＮ膜４７の厚さは例えば２５ナノメートルである。次いで、良好なオーミックコンタクトを形成するためのｐ型ＡｌＧａＮ膜４９を有機金属気相成長炉を用いて形成する。この成長は、例えば摂氏１０３０度において行われる。ｐ型ＡｌＧａＮ膜４９の組成は例えばＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎであり、ｐ型ＡｌＧａＮ膜４９の厚さは例えば６０ナノメートルである。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｂ２が得られる。
【００４３】
エピタキシャル基板Ｂ１、Ｂ２をＳＩＭＳ法により分析して、量子井戸発光層３９、４５の酸素濃度を見積もる。エピタキシャル基板Ｂ１の量子井戸発光層３９および緩衝膜の酸素濃度は、共に約１×１０１８ｃｍ−３である。エピタキシャル基板Ｂ２の量子井戸発光層４５および緩衝膜の酸素濃度は、それぞれ、約５×１０１７ｃｍ−３、約１×１０１８ｃｍ−３である。この結果、ＡｌＩｎＧａＮの成長温度を高くすると酸素濃度が小さくなることを示している。酸素濃度の低減により、結晶品質が良好になる。
【００４４】
Ｎｉ／Ａｕといったアノード電極５１ａをエピタキシャル基板Ｂ１のｐ型領域に形成すると共に、Ｔｉ／Ａｌといったカソード電極５１ｂをエピタキシャル基板Ｂ１のＧａＮ基板の裏面に形成して、図５に示されるＬＥＤ構造Ｓ１を形成する。また、エピタキシャル基板Ｂ２のｐ型領域にＮｉ／Ａｕといったアノード電極５３ａを形成すると共に、エピタキシャル基板Ｂ２のＧａＮ基板の裏面にＴｉ／Ａｌといったカソード電極５３ｂを形成して、図６に示されるＬＥＤ構造Ｓ２を形成する。
【００４５】
これらのＬＥＤ構造Ｓ１、Ｓ２に電圧を印加して光出力を測定する。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、ＬＥＤ構造Ｓ１の発光スペクトルを示す。図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、ＬＥＤ構造Ｓ２の発光スペクトルを示す。図７（Ａ）および図８（Ａ）の発光スペクトルは温度３００Ｋにおいて測定され、図７（Ｂ）および図８（Ｂ）の発光スペクトルは温度２１０Ｋにおいて測定される。ＬＥＤ構造Ｓ１、Ｓ２のいずれの発光スペクトルも、温度３００Ｋでは単一の鋭いピークを有している。しかしながら、ＬＥＤ構造Ｓ１の発光スペクトルは、温度２１０Ｋにあるとピーク波長よりも長波長の波長領域に発光が生じていることを示す盛り上がりを有する。
【００４６】
ＬＥＤ構造Ｓ１の発光スペクトルに現れる盛り上がりは、ｐ型ＡｌＧａＮ領域における発光と考えられる。ｐ型ＡｌＧａＮの発光効率は、室温あたりではあまり大きくない。しかし、低温では、ｐ型ＡｌＧａＮの発光効率が高くなると共に、ｐ型ＡｌＧａＮの電気特性が劣化するので、量子井戸発光領域から電子が漏れ出すことの影響が発光スペクトルに現れる。一方、ＬＥＤ構造Ｓ２の発光スペクトルには、盛り上がりが現れていない。つまり、図９に示されるように、量子井戸活性層の酸素濃度が高いと、ｐ型ＡｌＧａＮ領域への電子の漏れＥ２が多くなり、キャリア注入効率が劣化する。なぜなら、酸素原子は窒化ガリウム系半導体中においてドナー性不純物として作用するからである。量子井戸活性層において電子Ｅ１とホールＨ１が再結合すると、３５０ｎｍの波長成分を有する光（紫外線）が発生する。ｐ型ＡｌＧａＮ領域において電子Ｅ２とホールＨ２が再結合すると、３９０ｎｍの波長成分を有する光が発生する。この発光は、マグネシウム（Ｍｇ）に起因する深いアクセプタレベルと関連しており、３９０ｎｍ付近にピークを有するブロードな発光スペクトルを示す。
【００４７】
ＬＥＤ構造Ｓ２の発光ピーク強度はＬＥＤ構造Ｓ１の発光ピーク強度の約２倍である。これは、次のように考えられる。
（１）量子井戸発光層の成長温度を高くすると、井戸層と障壁層との界面の急峻性が良好になる。
（２）量子井戸発光層の成長温度を高くすると、酸素の取り込みが少なくなり、この結果として、量子井戸発光層の結晶性が向上する。
（３）酸素濃度が小さくなると、キャリアの注入効率が向上する。
これ故に、量子井戸活性層において電子Ｅの大部分がホールＨと再結合するので、３５０ｎｍの波長成分を有する光（紫外線）の発光強度が強くなる。ｐ型ＡｌＧａＮ領域における再結合は非常に少ない。
【００４８】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る窒化物発光素子の構造を模式的に示す図面である。
【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、構造１および構造２のための製造工程を示す図面である。
【図３】図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、構造１のための製造工程を示す図面である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、構造２のための製造工程を示す図面である。
【図５】図５は構造１を有する発光ダイオードを模式的に示す図面である。
【図６】図６は構造２を有する発光ダイオードを模式的に示す図面である。
【図７】図７（Ａ）は温度３００Ｋにおいて測定された構造１の発光スペクトルを示す図面であり、図７（Ｂ）は温度２１０Ｋにおいて測定された構造１の発光スペクトルを示す図面である。
【図８】図８（Ａ）は温度３００Ｋにおいて測定された構造２の発光スペクトルを示す図面であり、図８（Ｂ）は温度２１０Ｋにおいて測定された構造２の発光スペクトルを示す図面である。
【図９】図９は、構造１のためのバンドダイヤグラムを示す図面である。
【符号の説明】
【００５０】
１１…窒化物半導体発光素子、１３…量子井戸発光層、１３ａ…ＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ井戸層、１３ｂ…ＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ障壁層、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１７…ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層、１９…ＩｎＸ３ＡｌＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎ層、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３…インジウム組成、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３…アルミニウム組成、Ｎ１９、Ｎ１３…酸素濃度、２１…III族窒化物支持基体、２３…バッファ層、２５…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、２７…第１の電極、２９…第２の電極、３１…窒化ガリウムウエハ、３３…ｎ型ＧａＮ膜、３５…ｎ型ＡｌＧａＮ膜、３７…ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ緩衝膜、３９…量子井戸発光領域、３９ａ…井戸層、３９ｂ…障壁層、４１…ｐ型ＡｌＧａＮ膜、４３…ｐ型ＡｌＧａＮ膜、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２…エピタキシャル基板、４５…量子井戸発光領域、４５ａ…井戸層、４５ｂ…障壁層、４７…ｐ型ＡｌＧａＮ膜、４９…ｐ型ＡｌＧａＮ膜、５１ａ…アノード電極、５１ｂ…カソード電極、５３ａ…アノード電極、５３ｂ…カソード電極、Ｓ１、Ｓ２…ＬＥＤ構造、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ…電子、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ…ホール  
【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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