(57)【要約】【課題】発光素子全体として出力の向上を図ることが可能な発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層（バッファ層２０及びｎ型クラッド層３０）と、ｐ型窒化物半導体層（ｐ型クラッド層６０）と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に形成されたＭＱＷ活性層５０とを有する発光素子１００が、において、ｎ型クラッド層３０とＭＱＷ活性層５０との間に、ＩｎＧａＮ層４０ａとＧａＮ層４０ｂとを有する超格子層４０を備え、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率が、ＭＱＷ活性層５０に含まれるＩｎの組成比率よりも大きい。【選択図】図１
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【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た活性層とを備える発光素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に、Ｉｎを含む第１層とＩｎの組成比率が前記第１層よりも低い第２層とを少なくとも有する超格子層を備え、
前記第１層に含まれるＩｎの組成比率は、前記活性層に含まれるＩｎの組成比率よりも大きいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１層の膜厚は、約１０〜１００Åの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１層に含まれるＩｎの組成比率は、前記活性層に含まれるＩｎの組成比率の約１．６倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と活性層との間に超格子層を備える発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サファイア基板と、ｎ型窒化物半導体層と、量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを有する発光素子が一般的に広く知られている。
【０００３】
また、ｎ型窒化物半導体層とＭＱＷ活性層との間に、超格子構造を有する超格子層が形成された発光素子が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
具体的には、超格子層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが積層した構造を有しており、ＭＱＷ活性層の結晶性の向上に寄与すると考えられている。このように、ｎ型窒化物半導体層とＭＱＷ活性層との間に超格子層を形成することによって、発光素子の出力の向上が図られていた。
【０００５】
また、一般的には、ＭＱＷ活性層の発する光が超格子層のＩｎＧａＮ層で吸収されることを抑制するために、超格子層のＩｎＧａＮ層に含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層のウェル層に含まれるＩｎの組成比率よりも低く抑えられていた。
【特許文献１】特許第３６３３５６２号公報（請求項１、〔００４１〕、〔００４２〕など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、超格子層のＩｎＧａＮ層に含まれるＩｎの組成比率がＭＱＷ活性層のウェル層に含まれるＩｎの組成比率よりも低いと、ＭＱＷ活性層の結晶性の向上が充分に図られないという課題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、発光素子全体として出力の向上を図ることが可能な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】
【０００８】
本発明の第１の特徴は、ｎ型窒化物半導体層（バッファ層２０及びｎ型クラッド層３０）と、ｐ型窒化物半導体層（ｐ型クラッド層６０）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た活性層（ＭＱＷ活性層５０）とを備える発光素子が、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に、Ｉｎを含む第１層（ＩｎＧａＮ層４０ａ）とＩｎの組成比率が前記第１層よりも低い第２層（ＧａＮ層４０ｂ）とを少なくとも有する超格子層（超格子層４０）を備え、前記第１層に含まれるＩｎの組成比率が、前記活性層に含まれるＩｎの組成比率よりも大きいことを要旨とする。
【０００９】
かかる特徴によれば、超格子層の第１層に含まれるＩｎの組成比率は、活性層に含まれるＩｎの組成比率よりも大きい。従って、ｎ型窒化物半導体層と活性層との格子定数の違いが超格子層によって緩和され、活性層の発光効率の向上を図ることができる。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴において、前記第１層の膜厚が、約１０〜１００Åの範囲内であることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴において、前記第１層に含まれるＩｎの組成比率は、前記活性層に含まれるＩｎの組成比率の約１．６倍以下であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発光素子全体として出力の向上を図ることが可能な発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下において、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。
【００１４】
（発行素子の構造）
以下において、本発明の一実施形態に係る発光素子の構造について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子１００の構造を示す図である。
【００１５】
ここで、発光素子１００としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ、発光ダイオードや半導体レーザと蛍光体とを組み合わせた素子などが挙げられる。また、発光素子１００は、窒化物半導体層を有するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などの電子デバイス、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、受光素子などであってもよい。
【００１６】
図１に示すように、発光素子１００は、サファイア基板１０と、バッファ層２０と、ｎ型クラッド層３０と、超格子層４０と、ＭＱＷ活性層５０と、ｐ型クラッド層６０とを有する。また、ｎ型クラッド層３０の表面には、ｎ電極７０が設けられており、ｐ型クラッド層６０の表面には、ｐ電極８０が設けられている。
【００１７】
サファイア基板１０は、単結晶のサファイアによって構成された成長用基板である。
【００１８】
バッファ層２０は、ＧａＮなどによって構成されており、サファイア基板１０とｎ型クラッド層３０との格子定数の不整合を緩和する機能を有する。
【００１９】
ｎ型クラッド層３０は、ＭＱＷ活性層５０よりもバンドキャップエネルギーが大きい材料（例えば、ＧａＮ）によって構成される層であり、ＭＱＷ活性層５０にキャリアを閉じ込める機能を有する。なお、ｎ型クラッド層３０及びバッファ層２０はｎ型窒化物半導体を構成する。
【００２０】
超格子層４０は、Ｉｎを含むＩｎＧａＮ層４０ａと、ＩｎＧａＮ層４０ａよりもＩｎの組成比率が小さいＧａＮ層４０ｂとが交互に積層された構造を有する。なお、本実施形態では、ＧａＮ層４０ｂはＩｎを全く含んでいないが、これに限定されるものではない。
【００２１】
また、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５０のウェル層に含まれるＩｎの組成比率よりも大きい。なお、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５０のウェル層に含まれるＩｎの組成比率の約１．６倍以下であることが好ましい。
【００２２】
例えば、ＭＱＷ活性層５０のウェル層に含まれるＩｎの組成比率は１３〜１５％であり、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は１６〜２０％である。
【００２３】
また、ＩｎＧａＮ層４０ａの膜厚は、約１０〜１００Åの範囲内であり、ＧａＮ層４０ｂの膜厚は、約１０〜２０Åの範囲内である。さらに、超格子層４０全体の膜厚は、約５００〜２０００Åの範囲内である。
【００２４】
なお、ＩｎＧａＮ層４０ａの膜厚を約１０Å以上とした理由は、ｎ型クラッド層３０とＭＱＷ活性層５０との格子定数の違いを超格子層４０が緩和する効果を高めるためであり、ＩｎＧａＮ層４０ａの膜厚を約１００Å以下とした理由は、ひび割れや穴などの欠陥がＩｎＧａＮ層４０ａに生じることを抑制するためである。
【００２５】
ＭＱＷ活性層５０は、ウェル層とバリア層とが交互に積層された構造を有する。ウェル層は、バリア層よりもＩｎの組成比率が大きい薄膜層（例えば、ＩｎＧａＮ）である。一方、バリア層は、ウェル層よりもＩｎの組成比率が小さい薄膜層（例えば、ＧａＮ）である。また、ウェル層及びバリア層は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を形成する。
【００２６】
ｐ型クラッド層６０は、ＭＱＷ活性層５０よりもバンドキャップエネルギーが大きい材料（例えば、ＧａＮ）によって構成される層であり、ＭＱＷ活性層５０にキャリアを閉じ込める機能を有する。なお、ｐ型クラッド層６０はｐ型窒化物半導体層を構成する。
【００２７】
（発行素子の製造方法）
以下において、本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフロー図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法における温度プロファイルを示す図である。
【００２８】
図２に示すように、ステップ１０において、サファイア基板１０を準備する。また、水素（Ｈ２）をガス室内に供給してサファイア基板１０のクリーニングを行う。具体的には、図３に示すように、サファイア基板１０の温度を約１１００℃となるまで上昇させ、水素（Ｈ２）をガス室内に供給することによって、サファイア基板１０のクリーニングを行う。
【００２９】
ステップ２０において、サファイア基板１０上にバッファ層２０を形成する。具体的には、図３に示すように、サファイア基板１０の温度を約５００℃となるまで下降させるとともに、窒素（Ｎ２）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、バッファ層２０を形成する。
【００３０】
なお、個体結晶を気相成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal  Organic  Chemical  Vapour  Deposition）法などが挙げられる。
【００３１】
ステップ３０において、バッファ層２０上にｎ型クラッド層３０を形成する。具体的には、図３に示すように、サファイア基板１０の温度を約１０６０℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びモノシラン（ＳｉＨ４）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、ｎ型クラッド層３０を形成する。
【００３２】
ステップ４０において、ｎ型クラッド層３０上に超格子層４０を形成する。具体的には、サファイア基板１０の温度を約７５０℃となるまで下降させるとともに、アンモニア（ＮＨ３）、窒素（Ｎ２）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びモノシラン（ＳｉＨ４）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、ＩｎＧａＮ層４０ａを形成する。また、アンモニア（ＮＨ３）、窒素（Ｎ２）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びモノシラン（ＳｉＨ４）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、ＧａＮ層４０ｂを形成する。このように、ＩｎＧａＮ層４０ａ及びＧａＮ層４０ｂを交互に積層することによって、超格子構造を有する超格子層４０を形成する。
【００３３】
例えば、ＩｎＧａＮ層４０ａを形成する場合において、ガス室内に供給されるトリエチルガリウム（ＴＥＧ）の流量は約８０．２ｓｃｃｍであり、ガス室内に供給されるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）は約１００ｓｃｃｍである。
【００３４】
なお、上述したように、ＩｎＧａＮ層４０ａの膜厚は、約１０〜１００Åの範囲内であり、ＧａＮ層４０ｂの膜厚は、約１０〜２０Åの範囲内である。また、超格子層４０全体の膜厚は、約５００〜２０００Åの範囲内である。さらに、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は約１６〜２０％である。
【００３５】
ステップ５０において、超格子層４０上にＭＱＷ活性層５０を形成する。具体的には、図３に示すように、サファイア基板１０の温度を約７６０℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、バリア層を形成する。また、サファイア基板１０の温度を約７６０℃で維持したままで、アンモニア（ＮＨ３）、窒素（Ｎ２）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びモノシラン（ＳｉＨ４）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、ウェル層を形成する。このように、バリア層及びウェル層を交互に積層することによって、量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する超格子層４０を形成する。
【００３６】
なお、上述したように、ＭＱＷ活性層５０のウェル層に含まれるＩｎの組成比率は約１３〜１５％である。
【００３７】
ここで、上述したように、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５０のウェル層に含まれるＩｎの組成比率よりも高い。また、ＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５０のウェル層に含まれるＩｎの組成比率の１．６倍以下であることが好ましい。
【００３８】
ステップ６０において、ＭＱＷ活性層５０上にｐ型クラッド層６０を形成する。具体的には、図３に示すように、サファイア基板１０の温度を約１０６０℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びドーパント材であるマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させる。続いて、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びドーパント材であるマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させることによって、ｐ型クラッド層６０を形成する。
【００３９】
ステップ７０において、ｎ型クラッド層３０、超格子層４０、ＭＱＷ活性層５０及びｐ型クラッド層６０の一部をエッジングすることによって、ｎ型クラッド層３０を露出させる。
【００４０】
ステップ８０において、ｎ型クラッド層３０の表面にｎ電極７０を蒸着させるとともに、ｐ型クラッド層６０の表面にｐ電極８０を蒸着させる。例えば、ｎ電極７０及びｐ電極８０は、真空蒸着法などによってｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層６０の表面に蒸着される。
【００４１】
（作用及び効果）
本発明の一実施形態に係る発光素子１００によれば、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５０に含まれるＩｎの組成比率よりも大きい。従って、ｎ型クラッド層３０とＭＱＷ活性層５０との格子定数の違いが超格子層４０によって緩和され、ＭＱＷ活性層５０の発光効率が向上する。
【００４２】
また、本発明の一実施形態に係る発光素子１００によれば、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａの膜厚は、約１０〜１００Åの範囲内である。従って、ｎ型クラッド層３０とＭＱＷ活性層５０との格子定数の違いを超格子層４０が充分に緩和するとともに、ひび割れや穴などの欠陥が超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに生じることを抑制することができる。
【００４３】
さらに、本発明の一実施形態に係る発光素子１００によれば、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５０に含まれるＩｎの組成比率の１．６倍以下である。従って、ｎ型クラッド層３０とＭＱＷ活性層５０との格子定数の違いが超格子層４０によって緩和されるメリットよりも、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａによって光が吸収されるデメリットの方が大きくならずに、ＭＱＷ活性層５０の発光効率の向上を図ることができる。
【００４４】
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４５】
例えば、上述した実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物半導体層の結晶を生長させるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ＨＶＰＥ法やガスソースＭＢＥ法などを用いて、窒化物半導体層の結晶を生長させてもよい。また、窒化物半導体の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
【００４６】
また、上述した実施形態では、窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮなどからなる層であるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮ以外の組成を有する窒化物半導体層であってもよい。
【００４７】
さらに、上述した実施形態では、窒化物半導体層の成長用基盤として、サファイア基板を用いたが、これに限定されるものではなく、窒化物半導体層の結晶を成長させることが可能な基板、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、スピネル、そしてＧａＮ等を用いてもよい。
【００４８】
また、上述した実施形態では、ｎ型窒化物半導体層、超格子層、活性層及びｐ型半導体層が順にサファイア基板上に積層されているが、これに限定されるものではなく、ｐ型窒化物半導体層、活性層、超格子層及びｎ型半導体層が順にサファイア基板上に積層されていてもよい。
【００４９】
さらに、上述した実施形態では、超格子層４０のＧａＮ層４０ｂは、Ｉｎを全く含んでいないが、これに限定されるものではなく、Ｉｎの組成比率がＩｎＧａＮ層４０ａよりも小さければ、Ｉｎを含んでいてもよい。
【００５０】
このように、本発明は、ここでは記載されていない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５１】
（実施例）
以下において、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率と発光素子の発光強度との関係について、図面を参照しながら説明する。図４は、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率と発光素子の発光強度との関係を示す図である。
【００５２】
図４に示すように、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率が５％である場合に比べて、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率が１０％である場合の方が、発光素子の発光強度が高いことが確認された。
【００５３】
すなわち、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａによって光が吸収されるデメリットよりも、ｎ型クラッド層３０とＭＱＷ活性層５０との格子定数の違いが超格子層４０によって緩和されるメリットの方が大きいことが確認された。
【００５４】
従って、超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率を、ＭＱＷ活性層５０に含まれるＩｎの組成比率よりも大きくすることによって、発光素子の発光強度が向上することが推察された。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係る発光素子の構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフロー図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法における温度プロファイルを示す図である。
【図４】超格子層４０のＩｎＧａＮ層４０ａに含まれるＩｎの組成比率と発光素子の発光強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０・・・サファイア基板、２０・・・バッファ層、３０・・・ｎ型クラッド層、４０・・・超格子層、４０ａ・・・ＩｎＧａＮ層、４０ｂ・・・ＧａＮ層、５０・・・ＭＱＷ活性層、６０・・・ｐ型クラッド層、７０・・・ｎ電極、８０・・・ｐ電極、１００・・・発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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