(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム（Ａｌ）を含むｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｐ形クラッド層と、該ｐ形クラッド層と一方の面で接するインジウム（Ｉｎ）を含むｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなる井戸層と、該井戸層の他方の面と接するｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｎ形障壁層とからなる量子井戸構造の発光部を少なくとも具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記ｐ形クラッド層と前記井戸層との接合界面から前記井戸層内に向かってアルミニウム濃度が１／１００に減少する遷移領域幅が２０ｎｍ以下であり、前記井戸層が、前記ｐ形クラッド層との接合界面に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端が曲折したエネルギーバンド構造を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層が、前記ｎ形障壁層との接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造を有する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】
前記井戸層と前記ｐ形クラッド層との接合界面において、ｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差が、０．２ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅よりも、０．１ｅＶ以上小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子井戸構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に係わり、特に青色〜緑色の波長領域で高輝度で単色性に優れた発光をもたらすＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅ  ｂａｎｄ−ｇａｐ）半導体のひとつである一般に窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌXＧａYＩｎ1-X-YＮ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）等で表されるＩＩＩ族窒化物半導体は、その禁止帯幅の大きさ故に、紫外光或いは青色〜緑色の短波長可視光を放射する半導体発光素子の材料として利用されている。
特に、窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎ1-YＮ：０≦Ｙ≦１）は、青色〜緑色の波長領域の半導体発光素子に好適な材料となっている。
【０００３】
従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｎ形及びｐ形のクラッド層の間にＧａYＩｎ1-YＮからなる発光層を挟持したダブルヘテロ（ＤＨ）構造を発光部に用いるのが一般的であった。これは、ＤＨ構造によりキャリアを発光層内に閉じ込めることができるため、高輝度の発光を得るのに有利となるためである。
【０００４】
また、従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光部においては、０．１μｍ程度の比較的厚い、量子効果が無視できる層から発光層を構成するのが通常であった。
これに対し最近では、１０ｎｍ以下の厚さの井戸層を発光層とする単一量子井戸（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）構造や多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造を用いて発光部を構成する技術が開発されてきた（特開平９−３６４３０）。
【０００５】
半導体発光素子のひとつである発光ダイオード（ＬＥＤ）では、発光部をＳＱＷ構造或いはＭＱＷ構造から構成する利点は、単色性に優れる発光が得られることにある。また、他の半導体発光素子であるレーザダイオード（ＬＤ）にあっては、発光部をＳＱＷ構造或いはＭＱＷ構造から構成する利点は、発振閾値の低下がもたらされることにある。
しかし、ＳＱＷ構造或いはＭＱＷ構造のような量子井戸構造からの発光の波長は、井戸層を成す材料が本来有する禁止帯幅に対応する波長よりも、より短波長になるのが通常であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ＧａYＩｎ1-YＮからなる発光層を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、発光波長を制御するためにインジウム組成比（＝１−Ｙ）を変化させていた。すなわち、青色〜緑色といったより長波長の発光波長を得るためには、インジウム組成比を比較的大とするＧａYＩｎ1-YＮを発光層として用いていた。これは、インジウム組成比の増大に伴い、ＧａYＩｎ1-YＮ結晶の禁止帯幅は小さくなり、それに応じて発光波長が長波長となるからである。
【０００７】
しかし、インジウム組成比がおよそ０．４〜０．５と高いＧａYＩｎ1-YＮ結晶層を例えば有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により成長するには、成長温度を５００〜６００℃前後の低温に設定する必要があった。一方、５００℃前後の低温で成長したインジウム組成比の高いＧａYＩｎ1-YＮは、結晶性に劣るものであることが知られていた（「電子情報通信学会誌」、Ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．９（１９９３年９月）、９１３〜９１７頁参照）。
発光層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の優劣は、発光素子の発光強度の高低に反映される。従って、上記のように低温で成長した結晶性に劣るＧａYＩｎ1-YＮからなる発光層からは、高輝度の発光が得られない。即ち、従来は発光波長が長波長でかつ高輝度の発光素子が得られない問題点があった。
【０００８】
さらに発光部を量子井戸構造とした場合には、井戸層内に量子準位が発生するため、発光層である井戸層からの発光の波長は、量子井戸構造を用いない発光層の場合と比較して短波長となる。そのため、発光部を量子井戸構造とした場合、同一の発光波長を獲得するためには、量子井戸構造を用いない発光層の場合に比較して、インジウム組成比がより大きいＧａYＩｎ1-YＮから発光層を構成する必要があった。
しかし、前述のようにインジウム組成比を大きくするため低温で成長したＧａYＩｎ1-YＮ結晶は、結晶性が劣るものとなる。すなわち、インジウム組成比の大きいＧａYＩｎ1-YＮ結晶からなる量子井戸構造の井戸層から、高輝度で波長の短い例えば緑色の発光を得ることはさらに困難となるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、結晶性に優れるインジウム組成比の小さいＧａYＩｎ1-YＮ結晶を井戸層に用いて、青色〜緑色のような長波長の高輝度の発光が安定して得られる、量子井戸構造の発光部を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従来、量子井戸構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、発光層である井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよりも長波長の発光が得られることがあることが知られていた（特開平８−３１６５２８号）。
しかし、上記のような量子井戸構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においても、再現性良く、従来より高輝度でかつ単色性に優れた発光が得られるための構造は明らかでなかった。
そこで本発明者は、発光層である井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の本来のバンドギャップエネルギーよりも長波長の発光をもたらす量子井戸構造の発光部の構造を明らかにし、再現性良く、従来より高輝度でかつ単色性に優れた発光が得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を発明したものである。
【００１１】
すなわち本願発明は、ｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｐ形クラッド層と、該ｐ型クラッド層と一方の面で接するインジウム（Ｉｎ）を含むｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなる井戸層と、該井戸層の他方の面と接するｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなるｎ形障壁層とからなる量子井戸構造の発光部を少なくとも具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記井戸層が、前記ｐ形クラッド層との接合界面に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端が曲折したエネルギーバンド構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また本願発明は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記井戸層が、前記ｎ形障壁層との接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造を有することを特徴とする。
【００１３】
本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においては、前記井戸層と前記ｐ形クラッド層との接合界面において、ｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差が、０．２ｅＶ以上であることが好ましい。
また本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、前記井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅よりも、０．１ｅＶ以上小さくなることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、ＭＱＷ構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を例にして、本発明に係わる発光部の量子井戸構造のエネルギーバンド構造を説明する。
図１に、ｎ形クラッド層１０４及びｐ形クラッド層１０５でＭＱＷ構造１００を挟持したｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部の一般的なエネルギーバンド構造を模式的に示す。図１に示したＭＱＷ構造１００は、障壁（バリア：ｂａｒｒｉｅｒ）層１０２と井戸層１０１とからなる積層構造単位１０３を３周期積層させた構造からなる。
【００１５】
ｎ形クラッド層１０４及びｐ形クラッド層１０５は、それぞれｎ形およびｐ形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）等から構成する。井戸層１０１は、障壁層１０２よりも禁止帯幅の小さな、例えばｎ形Ｇａ1-XＩｎXＮ（０＜Ｘ≦１）などのｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成する。
井戸層１０１は、窒素に加えて砒素（Ａｓ）やリン（Ｐ）等の第Ｖ族元素も構成元素として含むｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成することも可能である。特に、Ｇａ1-XＩｎXＮ混晶は青色〜緑色の発光に好適な禁止帯幅を有する材料であるため、井戸層１０１に用いることが好ましい。
【００１６】
障壁層１０２は、約１０〜２０ｎｍ程度のトンネル（ｔｕｎｎｅｌ）効果が発揮できる層厚とするのが一般的である。井戸層の層厚は、概ね１０ｎｍ或いはそれ未満とするのが一般的である。
ＭＱＷ構造の発光層を構成する障壁層１０２並びに井戸層１０１の層厚については、本発明の実施の上で特に制限はない。また、障壁層１０２や井戸層１０１の層厚を敢えて同一とする必要はない。
【００１７】
本発明においては、障壁層１０２および井戸層１０１を共にｎ形の伝導性を有するＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成する必要がある。
障壁層１０２及び井戸層１０１は、たとえば第ＩＶ族元素の珪素（Ｓｉ）や錫（Ｓｎ）、または第ＶＩ族の硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）等のｎ形不純物をドーピングしたｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から構成することができる。特に本発明においては、不純物による不用意な準位の形成を回避するため、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）で高純度のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から井戸層１０２を構成するのが好ましい。
【００１８】
本発明は、ｐ型クラッド層１０５と一方の面で接するｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなる井戸層１０１のエネルギーバント構造に特徴がある。本発明の特徴を、ｐ型クラッド層１０５、該ｐ型クラッド層１０５と一方の面で接する井戸層１０１、および該井戸層１０１の他方の面と接するｎ形の障壁層１０２のエネルギーバント構造の詳細を示す図２を用いて説明する。
本発明では、図２に示す如く、井戸層１０１内のｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１との接合界面１０８近傍の領域で、前記井戸層１０１が、接合界面１０８に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端１０６が曲折したエネルギーバンド構造を有することを特徴とする。
【００１９】
井戸層１０１内で、ｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８近傍の領域に限り、正孔について低ポテンシャル側に曲折した価電子帯の上端１０６の曲折部１０９を効率良く作り出すためには、接合界面１０８に於いて、ｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１の組成を急峻に変化させる必要がある。即ち、接合界面１０８での組成変化の急峻性を良好とすることが必須となる。
例えば、ｐ形クラッド層がＡｌXＧａYＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなり、井戸層がｐ形クラッド層よりも小さな禁止帯幅のｎ形Ｇａ1-XＩｎXＮ（０＜Ｘ≦１）からなる場合、井戸層内でアルミニウムの原子濃度を接合界面でのアルミニウム濃度の１００分の１以下の濃度にするのに必要な遷移領域幅は、２０ｎｍ以下、望ましくは１５ｎｍ以下、更に好ましくは１２ｎｍ以下とすることが必要である。
【００２０】
ｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１との接合界面１０８近傍の領域に局所的に設けた価電子帯の上端の曲折部１０９には、正孔１１１を蓄積することが可能である。正孔を供給するｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８に近接させて曲折部１０９を配置させた本発明の量子井戸構造のエネルギーバンド構造では、電子に比較して拡散長の短い正孔を効率的に曲折部１０９に蓄積することができる。
曲折部１０９の厚さは、井戸層１０１全体の厚さの１／２以下とするのが好ましい。また、曲折部１０９の最上端のエネルギーレベルは、井戸層における価電子帯上端の本来のエネルギーレベルよりも、正孔に対して０．１ｅＶ以上小さいものとするのが好ましい。
【００２１】
さらに上記のようなエネルギーバンド構造の発光部を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、井戸層１０１とｎ形障壁層１０２との接合界面１１２近傍の領域に於ける井戸層１０１の伝導帯の下端１１３のエネルギーバント構造は、図２に示したように、接合界面１１２に向かって電子について低エネルギー側に曲折していることが発光波長をより長波長とするために好ましい。
井戸層１０１内で、ｎ形障壁層１０２との接合界面１１２近傍の領域に限り電子について低ポテンシャル側に曲折した伝導帯の下端１１３の曲折部１１４は、接合界面１１２に於いてｎ形障壁層１０２と井戸層１０１の組成を急峻に変化させることにより作り出すことができる。
曲折部１１４の厚さも同様に、井戸層１０１全体の厚さの１／２以下とするのが好ましい。また、曲折部１１４の最下端のエネルギーレベルは、井戸層における伝導帯下端の本来のエネルギーレベルよりも、電子に対して０．１ｅＶ以上小さいものとするのが好ましい。
【００２２】
伝導帯の下端１１３が電子について低エネルギー側に曲折したエネルギーバンド構造では、伝導帯の下端の曲折部１１４に正孔との放射再結合を果たす電子１１５を有効に蓄積できる。
この伝導帯の下端の曲折部１１４は、伝導帯１１３の井戸層における本来のエネルギーレベルよりも電子について低エネルギーであり、従ってこの領域に蓄積された電子１１５のエネルギーレベルは低くなる。また、上記の様にｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８近傍の価電子帯の上端の曲折部１０９に蓄積された正孔もそのエネルギーレベルは低くなる。
このため、この様なエネルギーバンド構造を有する井戸層１０１における電子と正孔間の遷移エネルギーは、井戸層１０１を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料の本来の禁止帯幅１１６より小となる。従って、上記の井戸層を有する量子井戸構造の発光部からの発光の波長は、井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料の本来の禁止帯幅１１６に対応する波長よりも長波長となる。
【００２３】
さらに、井戸層１０１内での価電子帯の上端及び伝導帯の下端の曲折部１０９、１１４は、井戸層１０１内でのポテンシャルの一律な割合での変化により形成されているのではなく、ｐ形クラッド層１０５及びｎ形障壁層１０２との接合界面１０８、１１２近傍の極く限定された狭い領域での急激なエネルギーバンドの曲折により形成される。このため、この狭い領域に局在するキャリア（電子及び正孔）は、低次元キャリアとして挙動できる。このため、低次元であるキャリアの高速走行性を利用して、発光の応答性（ｒｅｓｐｏｎｓｅ）が俊速な高速応答性を有する発光がもたらされる。
【００２４】
さらに本発明では、井戸層１０１とｐ形クラッド層１０５との接合界面１０８におけるｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差が０．２ｅＶ以上であると、正孔を井戸層内の価電子帯の上端の曲折部１０９に効率よくに蓄積することができ、特に青色〜緑色の発光をもたらすに都合良く作用する。
井戸層とｐ形クラッド層との接合界面におけるｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差とは、図２の接合界面１０８での価電子帯上端のエネルギーの差１１９を指す。
接合界面１０８での価電子帯上端のエネルギーの差１１９が０．２ｅＶより小さく、例えば０．１ｅＶ程度であると、正孔を井戸層内の価電子帯の上端の曲折部１０９に効率よく蓄積することができない。
【００２５】
ｐ形クラッド層１０５と井戸層１０１との接合界面１０８における価電子帯の上端１０６の曲折の度合は、前述のように接合界面１０８での組成変化が急峻である場合、井戸層１０１の層厚や井戸層１０１とｐ形クラッド層１０５との格子の不整合度を調節することにより制御できる。
例えば、井戸層１０１の厚さを薄くする程、接合界面１０８近傍における井戸層１０１の価電子帯の上端１０６の曲折の度合は大となる。またｐ形クラッド層１０５を、井戸層１０１に対してより格子の不整合性が大きくなるＩＩＩ族窒化物半導体材料から構成すると、接合界面１０８近傍における井戸層１０１の価電子帯の上端１０６をより大きく曲折させることができる。
【００２６】
また、本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、発光部の井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅よりも、０．１ｅＶ以上小さくなることが好ましい。
本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、発光部の井戸層１０１内の正孔は、価電子帯の上端の曲折部１０９に蓄積するため、価電子帯の本来のエネルギーレベルよりも小さいエネルギーを有している。そのため、井戸層内の正孔と電子は、伝導帯と価電子帯間の本来の遷移エネルギー（＝禁止帯幅１１６）よりも小さなエネルギーの光を放出して再結合できる。このようにして、発光部の井戸層から放射される光のエネルギーが、該井戸層を構成する材料の本来の禁止帯幅１１６よりも、０．１ｅＶ以上小さくなるようにすると、結晶性に劣るインジウム組成比の高い窒化ガリウム・インジウム混晶から井戸層１０１を構成した場合に比較して、再現性良く、従来より高輝度でかつ単色性に優れた青色〜緑色の発光が得られる。
さらに発光部の井戸層１０１内に伝導帯の下端の曲折部１１４を形成すると、発光部の井戸層１０１内の電子は伝導帯の下端の曲折部１１４に蓄積するため、伝導帯の本来のエネルギーレベルよりも小さいエネルギーを有することになる。この場合は、井戸層内の正孔と電子は、伝導帯と価電子帯間の本来の遷移エネルギー（＝禁止帯幅１１６）よりもさらに小さなエネルギーの光を放出して再結合することができる。
【００２７】
特に本願発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では、井戸層１０１を窒化ガリウム・インジウムから構成する場合、インジウム組成比が０．３以下の窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ1-XＩｎXＮ：０＜Ｘ≦０．３）を用いると、井戸層の結晶性に劣化を来さないため高輝度の青色〜緑色の発光を得るのに有利となる。
【００２８】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に用いるＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶層は、一般に知られたＭＯＣＶＤ法或いは気相エピタキシャル法（ＶＰＥ法）により成長することができる。
【００２９】
【作用】
請求項１に記載の発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量子井戸構造の発光部の井戸層内で、ｐ形クラッド層との接合界面近傍の価電子帯の上端の曲折部に選択的に、低エネルギーの正孔を蓄積させることができる。
【００３０】
また、請求項２に記載の発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量子井戸構造の発光部の井戸層内で、ｎ形障壁層との接合界面近傍の伝導帯の下端の曲折部に選択的に、低エネルギーの電子を蓄積できる。
【００３１】
また、請求項３に記載の発明によれば、発光部の井戸層内で正孔を接合界面近傍の価電子帯の上端の曲折部により効率よく蓄積することができる。
【００３２】
また、請求項４に記載した発明によれば、結晶性に劣るインジウム組成比の高い窒化ガリウム・インジウム混晶から井戸層を構成する従来の場合に比較して、再現性良く、高輝度でかつ単色性に優れた青色〜緑色の発光を行うＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
（実施例１）
本実施例１では、ｐ形クラッド層との接合界面に向かって正孔（ｈｏｌｅ）について低エネルギー側に価電子帯の上端が曲折したエネルギーバンド構造を有する井戸層を含む、量子井戸構造の発光部を具備したＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。
本実施例１では、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶層の成長には、ＭＯＣＶＤ法を用いた。
図３は、本実施例１で作製したＬＥＤの断面構造を示す模式図である。本実施例１に係わるＬＥＤは、以下のように作製した。
【００３４】
ＬＥＤを作製するためのエピタキシャルウェーハを作るに当たっては、まずサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3単結晶）からなる結晶基板４００の（０００１）面（ｃ面）上に、該基板４００との接合界面を主に単結晶としその上層部を多結晶或いは非晶質とするアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる緩衝層４０１を、４５０℃で成長した。緩衝層４０１の層厚は、約１７ｎｍとした。
次に緩衝層４０１上には、キャリア濃度を約２×１０17ｃｍ-3とし、層厚を約０．５μｍとするアンドープでｎ形のＧａＮ単結晶層４０２を１０５０℃で成長した。
また、ｎ形ＧａＮ単結晶層４０２の上には、珪素（Ｓｉ）をドーピングし、Ｓｉ濃度を層厚の増加方向に漸次増加させたｎ形ＧａＮ層４０３を続いて成長した。ｎ形ＧａＮ層４０３の層厚は約２μｍとし、キャリア濃度は約２×１０18ｃｍ-3とした。このｎ形ＧａＮ層４０３は、ＤＨ構造の発光部のｎ形の下部クラッド層であり、本願発明のｎ形障壁層の機能を有する。
【００３５】
ｎ形ＧａＮ層４０３の上には、井戸層４０４を８９０℃で堆積した。井戸層４０４は、層厚を約７ｎｍとしアンドープでｎ形のＧａ0.88Ｉｎ0.12Ｎから構成した。
井戸層４０４の成長には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）をガリウム原料、結合価を１価とするシクロペンタジエニルインジウム（Ｃ5Ｈ5Ｉｎ）をインジウム原料、アンモニア（ＮＨ3）を窒素原料として用いた。
ｎ形Ｇａ0.88Ｉｎ0.12Ｎからなる井戸層４０４の成長は、ガリウム原料およびインジウム原料のＭＯＣＶＤ成長装置への供給を停止して終了した。
【００３６】
井戸層の成長終了後、アンモニアガスのみを正確に５分間ＭＯＣＶＤ成長装置に引き続き流通させて、ＭＯＣＶＤ成長装置の反応炉内にインジウム原料及びガリウム原料が残留しないように掃引、排除した。
その後、井戸層４０４上にマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ形のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層をｐ形クラッド層４０５として１０３０℃で堆積した。
ｐ形クラッド層４０５の層厚はおよそ１５ｎｍとし、キャリア濃度は約２×１０17ｃｍ-3とした。またｐ形クラッド層４０５を井戸層４０４と格子整合の関係にないＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから構成して、井戸層４０４の価電子帯をｐ形クラッド層４０５ど井戸層４０４との接合界面４０６近傍で正孔について低ポテンシャル側に曲折させる仕組みとした。さらに、井戸層４０４の成長からｐ形クラッド層４０５の成長に移行する間には、上記のように成長の中断時間を設けて、井戸層４０４とｐ形クラッド層４０５との接合界面４０６における組成変化の急峻化を果たした。
【００３７】
本実施例１では、上記のｎ形ＧａＮ層４０３及びｐ形クラッド層４０５により井戸層４０４を挟持し、量子井戸構造のＳＱＷ構造の発光部４２を構成した。
また、ｐ形クラッド層４０５と井戸層４０４との接合界面４０６での組成変化の急峻性を、Ａｌ濃度が井戸層４０４内でｐ形クラッド層４０５内の平均的濃度より２桁を減するに要する遷移距離により評価するため、一般的なＳＩＭＳ分析手段により井戸層４０４内のＡｌ濃度を測定した。その結果、上記の遷移距離は約１２ｎｍであった。この組成変化の急峻性は、ｐ形クラッド層４０５とｎ形の井戸層４０４との接合界面４０６近傍で井戸層４０４内に価電子帯の上端の曲折を発生させるのに充分なものであった。
【００３８】
さらに、ｐ形クラッド層４０５上には、層厚の増加方向にアルミニウム（Ａｌ）組成比を０．１５から０に略直線的に減少させたｐ形ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．１５→０）層をｐ形コンタクト層４０７として１０３０℃で成長した。ｐ形コンタクト層４０７は、層厚がおよそ０．１μｍでキャリア濃度がおよそ２×１０17ｃｍ-3とした。
以上のようにして、ＬＥＤを作製するためのエピタキシャルウェーハを作製した。
【００３９】
その後、公知のフォトリソグラフィー技術やプラズマエッチング技術等を用いて、ｎ形クラッド層４０３上及びｐ形コンタクト層４０７上に、ｎ形及びｐ形のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極４０９、４０８をそれぞれ設けて、図１に示すＬＥＤを作製した。
【００４０】
ｎ形およびｐ形のオーミック電極４０９、４０８間に３．５Ｖの直流電圧を印加し、２０ｍＡの順方向電流を流して、上記のＬＥＤを発光させた。発光の中心波長は約４４５ｎｍの青色であった。これは、井戸層４０４を構成するＧａ0.88Ｉｎ0.12Ｎ結晶の室温での本来の禁止帯幅（約３．１ｅＶ）よりも、０．３ｅＶ程度低いエネルギーに相当する波長の発光であった。また、発光の半値幅は約１２ｎｍで、積分球を利用して測光される発光強度は約２１マイクロワット（μＷ）であった。このＬＥＤは、上記の方法により再現良く製造できた。
【００４１】
（実施例２）
本実施例２では、上記の実施例１で作製したのと同じ量子井戸構造のＳＱＷ構造の発光部を有するＬＥＤにおいて、井戸層を構成するｎ形のＧａ0.88Ｉｎ0.12Ｎ結晶層の層厚を実施例１のＬＥＤより薄くしたＬＥＤを作製した。
すなわち、図１に示す構造のＬＥＤにおいて、井戸層４０４の層厚を４ｎｍとし、その他は実施例１と同様としてＬＥＤを作製した。
【００４２】
本実施例２で作製したＬＥＤのｎ形及びｐ形オーミック電極４０９、４０８間に３．５Ｖの順方向の電圧を印加して、２０ｍＡの順方向電流を流してＬＥＤを発光させた。
発光の中心波長は、実施例１のＬＥＤより長い約４９０ｎｍとなった。この波長は、井戸層４０４を構成するＧａ0.88Ｉｎ0.12Ｎ結晶の室温での本来の禁止帯幅（約３．１ｅＶ）よりも、約０．６ｅＶ小さい約２．５ｅＶのエネルギーに相当するものである。すなわち、井戸層を構成する窒化ガリウム・インジウム結晶の組成を変えずとも、単純に量子井戸構造の井戸層の層厚を減少させることによって、ＬＥＤの発光波長を長波長とすることができた。
また、このＬＥＤの発光スペクトルの半値幅は約１２ｎｍとなり、発光強度は約２８μＷであった。このように本実施例２によれば、より長波長の発光が可能なＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供できることができた。
【００４３】
（実施例３）
本実施例３では、実施例１で作製したＬＥＤにおいて、井戸層がｎ形障壁層との接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造をさらに有する、量子井戸構造の発光部を具備したＬＥＤを作製した。
本実施例３で作製したＬＥＤの構造は、図１に示したものと同じとした。また、本実施例３のＬＥＤの作製方法は、以下の点を除き実施例１と同じとした。
【００４４】
本実施例３に係わるＬＥＤの作製では、井戸層４０４とｐ形クラッド層４０５との接合界面のみではなく、井戸層４０４とｎ形障壁層であるｎ形ＧａＮ層４０３との接合界面でも組成変化の急峻化を達成した。
すなわち、本実施例３に係わるＬＥＤの作製では、ｎ形ＧａＮ層４０３の成長を終了した後、一旦成長を５分間に亘り中断した。この結果、井戸層４０４とｎ形ＧａＮ層４０３との接合界面における組成変化の急峻性が、井戸層４０４が該接合界面近傍の領域において接合界面に向かって電子について低エネルギー側に伝導帯の下端が曲折したエネルギーバント構造を有するために、充分なものとなった。
【００４５】
上記のようにして作製したＬＥＤからは、実施例２で作製したＬＥＤよりも、更に長波長である約５２０ｎｍの緑色の発光が得られた。これは、井戸層４０４内で、ｐ形クラッド層４０５との接合界面近傍の価電子帯の上端の曲折部とｎ形ＧａＮ層４０３との接合界面近傍の伝導帯の下端の曲折部のそれぞれに、正孔と電子が蓄積されるため、正孔と電子との再結合の際の遷移エネルギーがさらに小さくなるためである。
得られた発光波長から、本実施例３のＬＥＤの正孔と電子の遷移エネルギーは、井戸層４０４を構成するＧａ0.88Ｉｎ0.12Ｎ結晶が有する本来のバンドギャップエネルギーである約３．１ｅＶに比べて約０．７ｅＶ低い、約２．４ｅＶと算出される。
また、本実施例３のＬＥＤの発光強度は約２８μＷであり、発光スペクトルの半値幅は約１２ｎｍとなった。すなわち、本実施例１では、実施例１または２よりさらに長波長で高輝度の発光が得られるＬＥＤが作製できた。
【００４６】
（実施例４）
本実施例４では、実施例１に記載したＬＥＤと同じ構造のＬＥＤを作製するにあたり、ｐ形クラッド層４０５を実施例１のＬＥＤよりもアルミニウム組成比を大とするＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎから構成した。また、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるｐ形クラッド層４０５を井戸層４０４上に成長する際には、５分間に亘る成長中断時間を設けて、両層間の接合界面の組成変化の急峻性を保つこととした。
【００４７】
本実施例４で作製したＬＥＤは、実施例１のＬＥＤと同様に井戸層とｐ形クラッド層との接合界面における組成変化の急峻性を達成した上に、井戸層との格子不整合度を実施例１のＬＥＤの場合より大とする、アルミニウム組成がより大きなＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるｐ形クラッド層を井戸層に接合することで、ｐ形クラッド層と井戸層との接合界面近傍の領域において井戸層の価電子帯の上端を正孔について低エネルギー側に確実に曲折させた。これより、井戸層と前記ｐ形クラッド層との接合界面において、ｐ形クラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端とのエネルギー差を約０．３ｅＶとした。
【００４８】
本実施例４で作製したＬＥＤは、上記のようなエネルギーバンド構造を有する井戸層を有する量子井戸構造の発光部を具備するため、ＬＥＤから放射される発光の波長は、約４８０ｎｍとなった。この発光波長は、実施例１で作製したＬＥＤの発光波長よりもさらに長波長であった。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、結晶性に優れるインジウム組成比の小さいＧａYＩｎ1-YＮ結晶を用いて、青色〜緑色のような長波長の高輝度の発光が得られる量子井戸構造の発光部を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を安定して提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量子井戸構造の発光部のエネルギーバンド構造を示す図。
【図２】本発明に係わる発光部のｐ型クラッド層、井戸層、障壁層のエネルギーバント構造を示す図。
【図３】実施例１乃至４に係わる発光ダイオードの断面構造を示す図。
【符号の説明】
１００  ＭＱＷ構造
１０１  井戸層
１０２  ｎ形障壁層
１０３  積層構造単位
１０４  ｎ形クラッド層
１０５  ｐ形クラッド層
１０６  価電子帯の上端
１０８  ｐ形クラッド層と井戸層との接合界面
１０９  価電子帯の上端の曲折部
１１１  正孔
１１２  井戸層とｎ形障壁層との接合界面
１１３  伝導帯の下端
１１４  伝導帯の下端の曲折部
１１５  電子
１１６  井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料の本来の禁止帯幅
１１９  ｐクラッド層の価電子帯上端と井戸層の価電子帯上端のエネルギー差
４２  発光部
４００  結晶基板
４０１  緩衝層
４０２  ｎ形ＧａＮ単結晶層
４０３  ｎ形ＧａＮ層
４０４  井戸層
４０５  ｐ形クラッド層
４０６  ｐ形クラッド層と井戸層との界面
４０７  ｐ形コンタクト層
４０８  ｐ形オーミック電極
４０９  ｎ形オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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