(57)【要約】  本開示の一実施形態の発光デバイスは、基板と、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、発光領域を有する第１の量子井戸層と、基板と第１の量子井戸層との間に設けられた障壁層と、基板と障壁層との間において、第１の量子井戸層から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に設けられると共に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２の量子井戸層とを備える。
2020036080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、発光領域を有する第１の量子井戸層と、
前記基板と前記第１の量子井戸層との間に設けられた障壁層と、
前記基板と前記障壁層との間において、前記第１の量子井戸層から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に設けられると共に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２の量子井戸層と
を備えた発光デバイス。
【請求項２】
前記第１の量子井戸層は一の量子井戸層からなる単一量子井戸であり、
前記第２の量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、前記量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記第１の量子井戸層は複数の量子井戸層からなる多重量子井戸であり、
前記第２の量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、前記複数の量子井戸層のうち最も大きなバンドギャップエネルギーを有する量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記第２の量子井戸層の厚みは、０．５分子層以上３．５分子層以下である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記第１の量子井戸層の発光波長は５００ｎｍ以上である、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記第２の量子井戸層は超格子を形成していない、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記基板と前記第２の量子井戸層との間に、さらに、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第３の量子井戸層を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板により構成されている、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記基板は、サファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板および酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板のうちのいずれかにより構成されている、請求項１に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた発光デバイスの開発が活発に行われている。発光デバイスとしては、例えば、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）および発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等が挙げられる。可視領域の波長の光を出射する発光デバイスでは、ＧａＮ系材料としてＧａＩｎＮを用いて発光層が形成されている。ＧａＩｎＮは、Ｉｎの組成が高くなるに従い発光波長が長くなる。一方で、Ｉｎの組成が高くなるにつれて発光効率が低下する傾向がある。【０００３】
これに対して、例えば、特許文献１では、活性層の直下に活性層よりもＩｎ組成の低いＧａＩｎＮおよびＧａＮ等からなる超格子構造を設けることで発光効率の改善を図った光半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３５４３３号公報
【発明の概要】
【０００５】
このように、ＧａＮ系材料を用いた発光デバイスでは、発光効率の改善が求められている。
【０００６】
発光効率を向上させることが可能な発光デバイスを提供することが望ましい。
【０００７】
本開示の一実施形態の発光デバイスは、基板と、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、発光領域を有する第１の量子井戸層と、基板と第１の量子井戸層との間に設けられた障壁層と、基板と障壁層との間において、第１の量子井戸層から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に設けられると共に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２の量子井戸層とを備えたものである。
【０００８】
本開示の一実施形態の発光デバイスでは、基板と障壁層との間に、障壁層上に設けられ、一の発光層を含むと共に、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる第１の量子井戸層から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れると共に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２の量子井戸層を設けるようにした。これにより、第１の量子井戸層の２次元成長が促進され、第１の量子井戸層のＩｎ組成の揺らぎおよび各層の膜厚の揺らぎが低減されると共に、積層方向におけるＩｎ組成の急峻性が向上する。
【０００９】
本開示の一実施形態の発光デバイスによれば、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、発光領域を有する第１の量子井戸層の下方に、障壁層を介して、第１の量子井戸層から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れると共に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２の量子井戸層を設けるようにしたので、第１の量子井戸層の２次元成長が促進されるようになる。よって、第１の量子井戸層のＩｎ組成の揺らぎおよび各層の膜厚の揺らぎが低減されると共に、積層方向におけるＩｎ組成の急峻性が改善され、発光効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施の形態に係る発光デバイスの構成を表す断面模式図である。
【図２】図１に示した発光デバイスの各層のバンドギャップを表す図である。
【図３】量子井戸層の厚みと発光強度との関係を表す図である。
【図４】量子井戸発光層に対する量子井戸層のＩｎ組成と発光強度との関係を表す図である。
【図５Ａ】図１に示した発光デバイスの製造工程を説明する断面模式図である。
【図５Ｂ】図５Ａに続く工程を表す断面模式図である。
【図５Ｃ】図５Ｂに続く工程を表す断面模式図である。
【図６】各形態の発光強度を表す図である。
【図７】本開示の変形例１に係る発光デバイスの構成を表す断面模式図である。
【図８】図７に示した発光デバイスの各層のバンドギャップを表す図である。
【図９】本開示の変形例２に係る発光デバイスの構成を表す断面模式図である。
【図１０】図９に示した発光デバイスの各層のバンドギャップを表す図である。
【図１１】本開示の変形例３に係る発光デバイスの構成を表す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示における実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比等についても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．実施の形態（量子井戸発光層の下方に発光に関与しない量子井戸層を設けた例）
１−１．発光デバイスの構成
１−２．発光デバイスの製造方法
１−３．作用・効果
２．変形例１（量子井戸発光層を２層積層した例）
３．変形例２（量子井戸層および量子井戸発光層をそれぞれ２層積層した例）
４．変形例３（半導体レーザとしての構成の一例）
【００１３】
＜１．実施の形態＞
図１は、本開示の一実施の形態に係る発光デバイス（発光デバイス１）の断面構成を模式的に表したものである。この発光デバイス１は、例えば可視領域、特に５００ｎｍ以上の波長の光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）等である。本実施の形態の発光デバイス１は、基板１１上に、下地層１２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３、ｎ−ＧａＩｎＮ層１４、量子井戸層１５（第２の量子井戸層）、障壁層１６、量子井戸発光層１７（第１の量子井戸層）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８およびｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９がこの順に積層されたものであり、量子井戸層１５は、量子井戸発光層１７に対して８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に設けられると共に、４．０分子層未満の厚みを有している。
【００１４】
（１−１．発光デバイスの構成）
発光デバイス１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されており、上記のように、下地層１２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３、ｎ−ＧａＩｎＮ層１４、量子井戸層１５、障壁層１６、量子井戸発光層１７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８およびｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９がこの順に積層されている。
【００１５】
基板１１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であり、その厚みは例えば３００μｍ〜５００μｍである。例えば、ＧａＮ基板のｃ面が主面として用いられている。
【００１６】
下地層１２は、基板１１上に設けられており、例えばｎ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。下地層１２の厚みは、例えば１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。
【００１７】
ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３は、下地層１２上に設けられており、ｎ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。ｎ−ＧａＩｎＮ層１４は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３上に設けられており、ｎ型のＧａＩｎＮにより形成されている。
【００１８】
量子井戸層１５は、ｎ−ＧａＩｎＮ層１４上に設けられている。量子井戸層１５は、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる。量子井戸層１５のインジウム（Ｉｎ）組成は、量子井戸層１５および量子井戸発光層１７が共にＧａＩｎＮからなる場合には、後述する量子井戸発光層１７と同等以上のＩｎを含有していることが好ましく、例えば１５％以上５０％以下である。量子井戸層１５および量子井戸発光層１７がＡｌＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸層１５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、図２に示したように、量子井戸発光層１７のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下であることが好ましい。なお、図２の横方向は、発光デバイス１の積層方向の層厚に相当する。
【００１９】
量子井戸層１５は、発光には寄与せず、４分子層（Mono Layers;ＭＬｓ）未満の厚みで形成されていることが好ましく、より好ましくは、０．５分子層以上３．５分子層以下である。ここで、分子層（ＭＬｓ）は、例えばＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体であれば、ＩＩＩ族−Ｖ族−ＩＩＩ族の原子間距離を指し、六方晶のＧａＮのＣ軸方向の場合には０．２６ｎｍに相当する。また、量子井戸層１５は、上記のように、量子井戸発光層１７に対して８ｎｍ以上５０ｎｍ未満の位置に離間して配置されている。これにより、量子井戸層１５は、波動関数の観点から孤立した量子井戸状態となっており、超格子構造を形成していないものとする。なお、量子井戸発光層１７に対して８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置とは、量子井戸発光層１７の最も基板１１側に設けられたウェルの基板１１側の面からの位置である。
【００２０】
障壁層１６は、量子井戸層１５と量子井戸発光層１７との間に設けられている。障壁層１６は、例えばＧａＮ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＮからなり、これらを２層以上積層した積層膜や超格子構造としてもよい。障壁層１６の厚みは、上記のように、量子井戸層１５と量子井戸発光層１７との距離が８ｎｍ以上５０ｎｍ未満となることが好ましいことから、例えば８ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。量子井戸層１５と量子井戸発光層１７との距離が８ｎｍ未満となると、量子井戸層１５および量子井戸発光層１７の総歪蓄積量が増大し、結晶欠陥が増殖されて平坦性が悪化する虞がある。一方で、量子井戸層１５と量子井戸発光層１７との距離が５０ｎｍ以上となると、量子井戸層１５の表面情報が失われ、量子井戸発光層１７の２次元成長の促進が得られなくなる。なお、障壁層１６が２層以上積層された積層構造からなると共に、その積層構造中に超格子構造を含む場合には、超格子構造の前後に８ｎｍ以上５０ｎｍ未満の厚みの単層を設けるようにすればよい。
【００２１】
量子井戸発光層１７は、障壁層１６上に設けられている。量子井戸発光層１７は、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなり、層内に発光領域を有する。量子井戸発光層１７のインジウム（Ｉｎ）組成は、量子井戸層１５および量子井戸発光層１７が共にＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸層１５と同等以下であることが好ましく、例えば１５％以上５０％以下である。量子井戸発光層１７の厚みは、例えば２ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８は、量子井戸発光層１７上に設けられており、ｐ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。ｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９は、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８上に設けられており、アクセプタがｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８よりも高濃度にドーピングされたｐ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。
【００２３】
図３は、量子井戸層１５の厚みと量子井戸発光層１７の発光強度との関係を表したものである。量子井戸層１５を設けない場合（０ＭＬｓ）と比較して、１ＭＬｓ〜３ＭＬｓの量子井戸層１５を設けることで、１桁以上大きな発光強度が得られており、発光効率の著しい向上が確認された。なお、このときの量子井戸層１５と量子井戸発光層１７の距離（障壁層１６の厚み）は１５ｎｍであり、５ｎｍとした場合には、発光強度は図３に示した量子井戸層１５の各厚みにおける発光強度の２／３未満に低下した。
【００２４】
図４は、量子井戸発光層１７に対する量子井戸層１５のＩｎ組成と量子井戸発光層１７の発光強度との関係を表したものである。ここでは、量子井戸層１５の厚みは全て２ＭＬｓとしている。図４からわかるように、量子井戸層１５のＩｎ組成が高いほど量子井戸発光層１７の発光強度は増加し、特に、量子井戸発光層１７と同一以上のＩｎ組成とすることが好ましいことわかる。
【００２５】
（１−２．発光デバイスの製造方法）
本実施の形態の発光デバイス１は、例えば以下のように製造することができる。図５Ａ〜図５Ｃは、発光デバイス１の製造方法を工程順に表したものである。
【００２６】
まず、図５Ａに示したように、基板１１上に下地層１２を形成する。具体的には、ＧａＮからなる基板１１上に、例えば７００℃〜１２００℃の温度でｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層を成長させる。これにより、基板１１上に下地層１２が形成される。
【００２７】
次に、図５Ｂに示したように、下地層１２上にｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３、ｎ−ＧａＩｎＮ層１４および量子井戸層１５を順に形成する。ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３は、例えば７００℃〜１２００℃の温度で、下地層１２上に、例えばＳｉ等のドナーをドーピングしたｎ型のＡｌＧａＩｎＮを成長させることにより形成される。ｎ−ＧａＩｎＮ層１４は、例えば７００℃〜９００℃の温度で、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３上に、例えばＳｉ等のドナーをドーピングしたｎ型のＧａＩｎＮを成長させることにより形成される。量子井戸層１５は、例えば６００℃〜９００℃の温度で、ｎ−ＧａＩｎＮ層１４上に、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）を例えば２ＭＬｓの厚みで成長させることにより形成される。
【００２８】
続いて、図５Ｃに示したように、量子井戸層１５上に、障壁層１６および量子井戸発光層１７を順に形成する。障壁層１６は、例えば６００℃〜９００℃の温度で、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３上にＧａＮを成長させることにより形成される。量子井戸発光層１７は、例えば６００℃〜９００℃の温度で、障壁層１６上にＡｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）を例えば３ｎｍの厚みで成長させることにより形成される。
【００２９】
最後に、量子井戸発光層１７上にｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８およびｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９を順に形成する。ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８は、例えば６００℃〜１０００℃の温度で、量子井戸発光層１７上にＭｇ等のアクセプタをドーピングしたｐ型のＡｌＧａＩｎＮを成長させることにより形成される。ｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９は、例えば６００℃〜１０００℃の温度で、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８上にＭｇ等のアクセプタを高濃度にドーピングしたｐ型のＡｌＧａＩｎＮを成長させることにより形成される。以上により、図１に示した発光デバイス１が完成する。
【００３０】
（１−３．作用・効果）
窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた発光デバイスは、可視領域の発光素子として開発されており、その用途の１つとしてＲＧＢの発光素子を用いたディスプレイがある。可視領域のうち、青色帯域および緑色帯域は、ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤやＬＤで既に実用化されているが、緑色帯域の光を発するＬＥＤおよびＬＤでは発光効率の改善が求められている。赤色帯域の光を発する発光デバイスではＧａＩｎＰ系材料が用いられているが、ＧａＩｎＰ系の材料を用いたＬＥＤおよびＬＤは、特に高温時における発光効率が低く、例えばレーザディスプレイ用途においては、さらなる高出力化および高効率化が求められている。
【００３１】
一般に、ＧａＮ系材料を用いた可視領域の発光素子では、活性層にはＧａＩｎＮが用いられている。ＧａＩｎＮは、Ｉｎの組成が大きくなるに従い、発光波長が長くなる。その発光波長の変化は活性層の厚みにもよるが、例えば１６％で青色帯域、２３％で緑色帯域および３３％で赤色帯域となる。一方で、Ｉｎの組成が大きくなるにつれて発光再結合確率の減少および非発光再結合確率の増大が生じ、青色帯域よりも長い波長領域において良好な発光特性を有するＬＥＤやＬＤを提供することは困難である。
【００３２】
発光再結合確率の減少の要因としては、例えばＩｎ組成の揺らぎの増大およびピエゾ分極の増大が挙げられる。非発光再結合確率の増大については、ＧａＮ基板やＧａＮテンプレート基板と、ＧａＩｎＮ活性層との間の格子不整合度の増大に起因する結晶欠陥の発生が挙げられる。また、一般にＩｎ組成の高いＧａＩｎＮは、表面が３次元形状になりやすい。このためＧａＩｎＮからなる発光層やその上方に設けられる障壁層の平坦性が低下しやすく、発光素子を構成する各層の膜厚揺らぎや積層方向のＩｎ組成の急峻性が悪化しやすく、発光波長が不均一となり、特に、半導体レーザではレーザ発振に必要な利得が低下する。
【００３３】
上記課題を解決する方法としては、例えば、以下の２つの方法が考えられる。１つ目は、格子不整合度の増大に起因する結晶欠陥の発生に対して活性層への歪量が低減するように、活性層の直下に活性層よりもＩｎ組成の低いＧａＩｎＮおよびＧａＮ等からなる超格子構造を積層する方法である。２つ目は、例えばＧａＩｎＮ活性層の上下にＧａＩｎＮの歪補償層として、ＡｌＧａＮを積層する方法がある。しかしながら、上記方法では、歪量の低減によるピエゾ分極の低減や結晶欠陥の抑制には一定の効果が期待されるものの、Ｉｎ組成の揺らぎや平坦性の悪化による膜厚揺らぎ、積層方向のＩｎ組成の急峻性を十分に改善することは難しく、さらなる発光効率の改善が求められている。
【００３４】
これに対して、本実施の形態の発光デバイス１では、基板１１とＡｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる量子井戸発光層１７との間に、量子井戸発光層１７から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる量子井戸層１５を設けるようにした。
【００３５】
図６は、量子井戸層１５を設けず２つの量子井戸発光層が積層されたDouble Quantum Well構造を有する発光デバイス（ＤＱＷ）、本実施の形態の発光デバイス１（thin well-Single Quantum Well；ｔｗ−ＳＱＷ）および後述する変形例１の発光デバイス２（thin well-Double Quantum Well；ｔｗ−ＤＱＷ）の発光強度を表したものである。なお、ｔｗは上記までで説明した量子井戸層１５に相当する。各発光強度を比較すると、量子井戸層１５を設けることで、発光強度が大きく増加していることがわかる。表１は、１つの量子井戸発光層が設けられたSingle Quantum Well構造を有する発光デバイス（ＳＱＷ）、上記ＤＱＷ、ｔｗ−ＳＱＷおよびｔｗ−ＤＱＷにおける量子井戸発光層の発光強度、内部量子効率、欠陥、界面急峻性および平坦性をまとめたものである。表１では、各項目に対してＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４段階で評価している。発光強度および内部量子効率では、両者の値が高い順にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと評価した。欠陥では、欠陥密度が少ない順にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと評価した。界面急峻性では、ＸＲＤ評価にて得られるＤＱＷのサテライトピークの振幅高さが大きい順にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと評価した。平坦性では、量子井戸活性層の成長時に、結晶表面へ照射する光の反射強度の強さの高い順に、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと評価した。つまり、すべての項目においてＡが最も優れた評価となる。
【００３６】
【表１】
2020036080.tif 000003
【００３７】
これらの結果から、本実施の形態のように、量子井戸発光層１７の下方に上記構成を有する量子井戸層１５を設けることで、量子井戸発光層の２次元成長が促進されるようになり、量子井戸発光層１７のＩｎ組成の揺らぎや量子井戸発光層１７およびさらに上方に形成される層の膜厚の揺らぎが低減される。更に、積層方向におけるＩｎ組成の急峻性を向上させることが可能となる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態の発光デバイス１および後述する発光デバイス２では、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる量子井戸発光層１７の下方に、障壁層１６を介して、量子井戸発光層１７から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる量子井戸層１５を設けるようにした。これにより、量子井戸発光層１７のＩｎ組成の揺らぎおよび量子井戸発光層１７を含む上方に形成される層の膜厚の揺らぎが低減されると共に、積層方向におけるＩｎ組成の急峻性が改善され、発光効率を向上させることが可能となる。
【００３９】
特に、本実施の形態では、青色帯域よりも発光波長の長い量子井戸発光層を有する発光デバイスにおいてより大きな効果が得られる。例えば、緑色帯域や赤色帯域の光を発する発光デバイス（発光ダイオード（ＬＤ）および後述する半導体レーザ（ＬＥＤ）等）において発光効率を著しく向上させることが可能となる。
【００４０】
次に、本開示の変形例（変形例１〜３）について説明する。以下では、上記実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００４１】
＜２．変形例１＞
図７は、本開示の変形例（変形例１）に係る発光デバイス（発光デバイス２）の断面構成を模式的に表したものである。この発光デバイス２は、例えば可視領域、特に５００ｎｍ以上の波長の光を出射する発光ダイオード等である。発光デバイス２は、上記実施の形態と同様に、量子井戸発光層１７の下方に、障壁層１６を介して、８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に４．０分子層未満の厚みを有する量子井戸層１５を設けたものである。本変形例では、量子井戸発光層１７上に、さらに障壁層２６を介して量子井戸発光層２７を設けた点が上記実施の形態とは異なる。
【００４２】
障壁層２６は、量子井戸発光層１７上に設けられており、障壁層１６と同様に、例えばＧａＮ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＮからなり、これらを２層以上積層した構造や超格子構造としてもよい。障壁層２６の厚みは、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であればよい。
【００４３】
量子井戸発光層２７は、障壁層２６上に設けられている。量子井戸発光層２７は、量子井戸発光層１７と同様に、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる。量子井戸発光層２７のインジウム（Ｉｎ）組成は、量子井戸層１５および量子井戸発光層２７が共にＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸層１５と同等以下であることが好ましく、例えば１５％以上５０％以下である。量子井戸発光層２７の厚みは、例えば２ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
図８は、量子井戸層１５、量子井戸発光層１７および量子井戸発光層２７のバンドギャップを表したものである。本変形例における量子井戸層１５、量子井戸発光層１７および量子井戸発光層２７のバンドギャップエネルギーの大小関係は、量子井戸層１５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）が、量子井戸発光層１７および量子井戸発光層２７のうち、より大きなバンドギャップエネルギーを有する層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下であることが好ましい。例えば、図８とは異なり、量子井戸発光層２７のバンドギャップエネルギーが量子井戸発光層１７のバンドギャップエネルギーよりも大きい場合には、量子井戸層１５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、量子井戸発光層２７のバンドギャップエネルギー以下であることが好ましい。
【００４５】
このように、２つの量子井戸発光層１７，２７を有する発光デバイス２でも、下層側に配置された量子井戸発光層１７と基板１１との間に、量子井戸発光層１７から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる量子井戸層１５を設けることで、上記実施の形態と同様に、発光効率を向上させることが可能となる。
【００４６】
＜３．変形例２＞
図９は、本開示の変形例（変形例２）に係る発光デバイス（発光デバイス３）の断面構成を模式的に表したものである。この発光デバイス３は、例えば可視領域、特に５００ｎｍ以上の波長の光を出射する発光ダイオード等である。発光デバイス３は、量子井戸発光層１７の下方に、２つの量子井戸層１５，３５がそれぞれ障壁層１６，３６を介して設けた点が上記変形例１とは異なる。具体的には、本変形例の発光デバイス３は、基板１１上に、下地層１２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１３、ｎ−ＧａＩｎＮ層１４、量子井戸層３５（第３の量子井戸層）、障壁層３６、量子井戸層１５、障壁層１６、量子井戸発光層１７、障壁層２６、量子井戸発光層２７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層１８およびｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９がこの順に積層された構成を有する。
【００４７】
量子井戸層３５は、ｎ−ＧａＩｎＮ層上に設けられており、量子井戸層１５と同様に、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる。量子井戸層３５のインジウム（Ｉｎ）組成は、量子井戸層１５，３５および量子井戸発光層１７，２７が共にＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸発光層１７，２７と同等以上であることが好ましく、例えば、１５％以上５０％以下である。量子井戸層１５，３５および量子井戸発光層１７，２７がＡｌＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸層３５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ２）は、量子井戸層１５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ１）と同様に、量子井戸発光層１７，２７のうち、よりバンドギャップエネルギーが大きな量子井戸発光層（図１０では、量子井戸発光層１７）のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下であることが好ましい。
【００４８】
量子井戸層３５は、発光には寄与せず、量子井戸層１５と同様に、４分子層（ＭＬｓ）未満の厚みで形成されていることが好ましく、より好ましくは、０．５分子層以上３．５分子層以下である。量子井戸層３５と量子井戸層１５との距離は、例えば８ｎｍ以上５０ｎｍ未満となるように離間して配置されていることが好ましい。これにより、上記実施の形態および変形例１と同様に、量子井戸発光層１７および量子井戸発光層２７のＩｎ組成の揺らぎならびに量子井戸発光層１７および量子井戸発光層２７を含む上方に形成される層の膜厚の揺らぎが低減されると共に、積層方向におけるＩｎ組成の急峻性が改善され、発光効率を向上させることが可能となる。
【００４９】
障壁層３６は、量子井戸層３５と量子井戸層１５との間に設けられており、障壁層１６と同様に、例えばＧａＮ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＮからなり、これらを２層以上積層した構造や超格子構造としてもよい。障壁層３６の厚みは、障壁層１６と同様に、８ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。なお、障壁層３６が２層以上積層された積層構造からなると共に、その積層構造中に超格子構造を含む場合には、超格子構造の前後に８ｎｍ以上５０ｎｍ未満の厚みの単層を設けるようにすればよい。
【００５０】
このように、量子井戸発光層１７の下方に２つの量子井戸層１５，３５を有する発光デバイス３でも、下層側に配置された量子井戸発光層１７と基板１１との間に、量子井戸発光層１７から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる量子井戸層１５を設けると共に、量子井戸層１５の下方の量子井戸層１５から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に量子井戸層３５を設けることで、上記実施の形態と同様に、発光効率を向上させることが可能となる。
【００５１】
＜４．変形例３＞
図１１は、本開示の変形例（変形例３）に係る発光デバイス（発光デバイス４）の断面構成の一例を模式的に表したものである。この発光デバイス４は、例えば可視領域、特に５００ｎｍ以上の波長の光を出射する半導体レーザの一例である。本変形例の発光デバイス４は、上記実施の形態と同様に、量子井戸発光層４７の下方に、障壁層４６を介して、８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に４．０分子層未満の厚みを有する量子井戸層４５が設けられたものであり、基板１１上に、下地層１２、下部クラッド層４３、ガイド層４４、量子井戸層４５、障壁層４６、量子井戸発光層４７、ガイド層４８、上部クラッド層４９およびｐ++−ＡｌＧａＩｎＮ層１９がこの順に積層された構成を有する。
【００５２】
下部クラッド層４３は、下地層１２上に設けられており、ｎ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。ガイド層４４は、下部クラッド層４３上に設けられており、アンドープあるいはｎ型のＧａＩｎＮにより形成されている。
【００５３】
量子井戸層４５は、ガイド層４４上に設けられている。量子井戸層４５は、上記量子井戸層１５と同様に、Ａｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる。量子井戸層４５のインジウム（Ｉｎ）組成は、量子井戸層４５および量子井戸発光層４７が共にＧａＩｎＮからなる場合には、後述する量子井戸発光層４７と同等以上であることが好ましく、例えば１５％以上５０％以下である。量子井戸層４５および量子井戸発光層４７がＡｌＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸層４５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、量子井戸発光層４７のバンドギャップエネルギー以下であることが好ましい。
【００５４】
量子井戸層４５は、発光には寄与せず、４分子層（ＭＬｓ）未満の厚みで形成されていることが好ましい。量子井戸層４５は、上記のように、量子井戸発光層４７との距離が８ｎｍ以上５０ｎｍ未満となるように離間して配置されている。これにより、量子井戸層４５は、波動関数の観点から孤立した量子井戸状態となっており、超格子構造を形成していないものとする。
【００５５】
障壁層４６は、量子井戸層４５と量子井戸発光層４７との間に設けられている。障壁層４６は、上記障壁層１６と同様に、例えばＧａＮ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＮからなり、これらを２層以上積層した構造や超格子構造としてもよい。障壁層４６の厚みは、上記のように、量子井戸層４５と量子井戸発光層４７との距離が８ｎｍ以上５０ｎｍ未満となることが好ましいことから、例えば８ｎｍ以上５０ｎｍ未満であることが好ましい。量子井戸層４５と量子井戸発光層４７との距離が８ｎｍ未満となると、量子井戸層４５および量子井戸発光層４７の総歪蓄積量が増大し、結晶欠陥が増殖されて平坦性が悪化する虞がある。一方で、量子井戸層４５と量子井戸発光層４７との距離が５０ｎｍ以上となると、量子井戸層４５の表面情報が失われ、量子井戸発光層４７の２次元成長の促進が得られなくなる。なお、障壁層４６が２層以上積層された積層構造からなると共に、その積層構造中に超格子構造を含む場合には、超格子構造の前後に８ｎｍ以上５０ｎｍ未満の厚みの単層を設けるようにすればよい。
【００５６】
量子井戸発光層４７は、障壁層４６上に設けられている。量子井戸発光層４７は、上記量子井戸発光層１７と同様に、Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなる。量子井戸発光層４７のインジウム（Ｉｎ）組成は、量子井戸層４５および量子井戸発光層４７が共にＧａＩｎＮからなる場合には、量子井戸層４５と同等以下であることが好ましく、例えば１５％以上５０％以下である。量子井戸発光層４７の厚みは、例えば２ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５７】
ガイド層４８は、量子井戸発光層４７上に設けられており、アンドープあるいはｐ型のＧａＩｎＮにより形成されている。上部クラッド層４９は、ガイド層４８上に設けられており、ｐ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。
【００５８】
以上のように、半導体レーザにおいても、量子井戸発光層４７の下層に、量子井戸発光層４７から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる量子井戸層４５を設けることで、上記実施の形態と同様に、発光効率を向上させることが可能となる。
【００５９】
以上、実施の形態および変形例１〜３を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態において例示した発光デバイス１の構成要素、配置および数等は、あくまで一例であり、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素をさらに備えていてもよい。
【００６０】
更に、上記実施の形態等では、基板１１として窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いる例を示したが、基板１１は、例えばサファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板および酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板のいずれかを用いてもよい。
【００６１】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であってこれに限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
【００６２】
なお、本開示は、以下のような構成も可能である。
（１）
基板と、
Ａｌx2Ｉｎx1Ｇａ(1-x1-x2)Ｎ（０＜ｘ１＜１，０≦ｘ２＜１）からなると共に、発光領域を有する第１の量子井戸層と、
前記基板と前記第１の量子井戸層との間に設けられた障壁層と、
前記基板と前記障壁層との間において、前記第１の量子井戸層から８ｎｍ以上５０ｎｍ未満離れた位置に設けられると共に、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第２の量子井戸層と
を備えた発光デバイス。
（２）
前記第１の量子井戸層は一の量子井戸層からなる単一量子井戸であり、
前記第２の量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、前記量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下である、前記（１）に記載の発光デバイス。
（３）
前記第１の量子井戸層は複数の量子井戸層からなる多重量子井戸であり、
前記第２の量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｙ）は、前記複数の量子井戸層のうち最も大きなバンドギャップエネルギーを有する量子井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇｘｍ）以下である、前記（１）に記載の発光デバイス。
（４）
前記第２の量子井戸層の厚みは、０．５分子層以上３．５分子層以下である、前記（１）乃至（３）のうちのいずれかに記載の発光デバイス。
（５）
前記第１の量子井戸層の発光波長は５００ｎｍ以上である、前記（１）乃至（４）のうちのいずれかに記載の発光デバイス。
（６）
前記第２の量子井戸層は超格子を形成していない、前記（１）乃至（５）のうちのいずれかに記載の発光デバイス。
（７）
前記基板と前記第２の量子井戸層との間に、さらに、４．０分子層未満の厚みを有するＡｌy2Ｉｎy1Ｇａ(1-y1-y2)Ｎ（０＜ｙ１＜１，０≦ｙ２＜１）からなる第３の量子井戸層を有する、前記（１）乃至（６）のうちのいずれかに記載の発光デバイス。
（８）
前記基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板により構成されている、前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の発光デバイス。
（９）
前記基板は、サファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板および酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板のうちのいずれかにより構成されている、前記（１）乃至（８）のうちのいずれかに記載の発光デバイス。
【００６３】
本出願は、日本国特許庁において２０１８年８月１６日に出願された日本特許出願番号２０１８−１５３０５６号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
【００６４】
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
【図１】
2020036080.tif 000004
【図２】
2020036080.tif 000005
【図３】
2020036080.tif 000006
【図４】
2020036080.tif 000007
【図５Ａ】
2020036080.tif 000008
【図５Ｂ】
2020036080.tif 000009
【図５Ｃ】
2020036080.tif 000010
【図６】
2020036080.tif 000011
【図７】
2020036080.tif 000012
【図８】
2020036080.tif 000013
【図９】
2020036080.tif 000014
【図１０】
2020036080.tif 000015
【図１１】
2020036080.tif 000016
【国際調査報告】
2020036080.tif 000017
2020036080.tif 000018
2020036080.tif 000019
2020036080.tif 000020