窒化物半導体発光素子
【課題】発光素子本来の機能を損なうことなく、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満として、従来よりも低電圧で動作することができる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】多重量子井戸１５に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０．０４≦ｂ≦０．１とし、かつ、このＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層を含めて、発光素子に含まれるＩｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層の厚さの合計を６０ｎｍ以下とする。
【解決手段】多重量子井戸１５に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０．０４≦ｂ≦０．１とし、かつ、このＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層を含めて、発光素子に含まれるＩｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層の厚さの合計を６０ｎｍ以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子本来の機能を損なうことなく、従来よりも低電圧で動作することが可能な窒化物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体は、緑色〜青色〜近紫外領域の発光素子（ＬＥＤ）用材料として、現在脚光を浴びている。
【０００３】
図６に、従来の窒化物半導体発光素子の構造例を示す。
この発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ−ＧａＮ層４、ＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＧａＮ（バリア層）ペア多重量子井戸５、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６、ｐ−ＧａＮ層７を順次形成し、さらに、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）装置によるエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層７の表面からｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングした後、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８（Ｎｉ２ｎｍ／Ａｕ４ｎｍ）を蒸着し、透明導電膜８と一部重なる部分にｐ電極９を、ＲＩＥでエッチングされたｎ−ＧａＮ層４の表面にｎ電極１０をそれぞれ形成したものである。
【０００４】
ＩｎａＧａ１−ａＮ井戸層／ＧａＮバリア層からなるペア多重量子井戸５は、例えば、ピーク波長が４６０ｎｍの青色発光素子の場合、Ｉｎの組成比ａを０．１５とし、成長温度を７８０℃として形成される。他方、ピーク波長が５２５ｎｍの緑色発光素子の場合、Ｉｎの組成比ａを０．２５とし、成長温度を７３０℃として形成される。
【０００５】
このような青色又は緑色で発光する窒化物半導体発光素子において、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すためには、従来、３Ｖ以上の電圧を印加する必要があった。この電圧値は、得られる光のエネルギー（青色の場合、発光ピーク波長を４６０ｎｍとすると、２.７ｅＶ、緑色の場合、発光ピーク波長を５２５ｎｍとすると、２.３６ｅＶとなる）と比較しても格段に大きい値である。このエネルギー差は、半導体内部で熱となり、窒化物半導体発光素子の動作時の温度を上昇させ、出力の低下、素子寿命の低下、封止樹脂の劣化などを引き起こすことになる。
【０００６】
この原因としては、従来の窒化物半導体発光素子では、多重量子井戸のバリア層として、図６に示すようなＧａＮ層、あるいは微量にＩｎを含むＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成３％以下）が用いられていたため、バリア層のバンドギャップが３Ｖ以上と大きくなり、この大きなバンドギャップが活性層内のキャリアの移動を妨げる障壁となるためと考えられる。以上より、窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減するためには、バリア層のバンドギャップを小さくすること、例えばＩｎ組成が４％以上のＩｎＧａＮ層をバリア層として用いることが有効と考えられる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特許第３１３５０４１号公報（実施例２、図１）
【特許文献２】特開２００２−７６５２１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された発光素子では、多重量子井戸内のバリア層のＩｎ組成を２０％としているため、下地層であるｎ型ＧａＮ層と活性層の間の格子不整合が大きくなり、活性層に新たな格子欠陥が導入され、発光素子として機能しなくなる可能性がある。
【０００８】
また、特許文献２に開示された発光素子では、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるバリア層と同一組成の光ガイド層を２００ｎｍの厚さで成長させているため、やはり、格子不整合に基づく結晶欠陥が導入され、発光素子としての機能が損なわれてしまうおそれがある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上記の問題を解決し、発光素子本来の機能を損なうことなく、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満として、従来よりも低電圧で動作することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決すべく、従来よりもＩｎ組成比の大きなＩｎＧａＮバリア層を用いて、駆動電圧が小さくしかも発光素子としての機能を損なわない発光素子を実現するために鋭意研究を重ね、格子欠陥を発生させないように多重量子井戸を含め素子全体の層構造を注意深く検討した結果、（１）多重量子井戸活性層に含まれるＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成を特定の範囲に設定することにより、発光素子の駆動電圧を従来よりも低減できること、（２）ＩｎＧａＮバリア層の厚さを特定の範囲とし、かつ、ＩｎＧａＮバリア層および素子に含まれる特定範囲のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層の厚さの合計を所定の厚さ以下とすることにより、新たな格子欠陥の導入を防止できること、を見出した。
【００１１】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型層、ＩｎＧａＮ井戸層／ＩｎＧａＮバリア層の複数ペアからなる多重量子井戸活性層、及びｐ型層を積層してなり、前記多重量子井戸活性層に含まれるＩｎＧａＮバリア層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．１）で表され、かつ、前記ＩｎＧａＮバリア層を含めて、発光素子に含まれるＩｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層の厚さの合計が６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
前記活性層の発光ピーク波長は、青色及び緑色の発光領域である４３０〜５６０ｎｍの範囲とすることができる。
【００１３】
前記ＩｎＧａＮバリア層の厚さを５〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００１４】
前記多重量子井戸活性層と前記ｎ型層との間に、Ｉｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層を挿入することもできる。
【００１５】
前記基板上にＧａＮ層又はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜０．５）を格子緩和した形態で形成し、その上に前記多重量子井戸活性層を形成することもできる。
【００１６】
前記基板は、サファイア、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮのいずれかからなる単結晶基板を用いることができる。
【００１７】
前記窒化物半導体発光素子を構成する積層構造の結晶成長は、気相成長装置内で行うのが好ましく、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置内で行うのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光素子の機能を損なわずに、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満とすることが可能となり、従来よりも低電圧で駆動する窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１に、第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の断面構造を示す。
この窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ−ＧａＮ層４、ＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（バリア層）多重量子井戸１５、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６、ｐ−ＧａＮ層７を順次形成し、さらに、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）装置によるエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層７の表面からｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングした後、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８（Ｎｉ２ｎｍ／Ａｕ４ｎｍ）を蒸着し、透明導電膜８と一部重なる部分にｐ電極９を、ＲＩＥでエッチングされたｎ−ＧａＮ層４の表面にｎ電極１０をそれぞれ形成したものである。
【００２１】
即ち、この窒化物半導体発光素子は、図６に示す従来の窒化物半導体発光素子のＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＧａＮ（バリア層）ペア多重量子井戸５をＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（バリア層）多重量子井戸１５に代えたことを特徴としている。
【００２２】
このＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（バリア層）多重量子井戸１５において、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂは、後述する実施例の結果からも明らかなように、０．０４〜０．１の範囲とすることにより、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満とすることができる。
【００２３】
更に、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層の厚さを５〜２０ｎｍの範囲とし、かつ、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層の厚さの合計を６０ｎｍ以下とすることにより、窒化物半導体発光素子の機能を損なうことがない。
【００２４】
ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のバリア数は、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層の厚さの合計が６０ｎｍ以下となる範囲で適宜設定することができる。
【００２５】
なお、ピーク波長４６０ｎｍの青色素子の場合は、ＩｎａＧａ１−ａＮ井戸層のａを０．１５とし、ピーク波長５２５ｎｍの緑色素子の場合は、ａを０．２５とできる点は従来例と同様である。
【００２６】
［第２の実施の形態］
図２に、第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の断面構造を示す。
この窒化物半導体発光素子は、図１に示す構造の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子のｎ−ＧａＮ層４とＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸１５との間に、アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７を挿入した層構成とした以外は、第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と同様に形成されている。
【００２７】
この窒化物半導体発光素子においても、ＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸１５に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０．０４〜０．１の範囲とし、かつバリア層の厚さを５〜２０ｎｍの範囲としているが、更にアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７のＩｎ組成比ｂも０．０４〜０．１の範囲とし、このアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７の厚さとＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層全体の厚さの合計の厚みを６０ｎｍ以下としている。これより、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体発光素子の機能を損なうことがなく、かつ２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満とすることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、格子整合の観点から、アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７のＩｎ組成比をバリア層のＩｎ組成比と同じｂとしたが、０．０４〜０．１の範囲内で、バリア層の組成比とは別個独立した値とすることもできる。
【００２９】
また、本実施形態では、ｎ−ＧａＮ層４とＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸１５との間に、アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７を１層挿入した層構成としたが、上記のようにＩｎ組成比ｂを０．０４〜０．１の範囲とし、かつバリア層を含めたＩｎＧａＮ層合計厚みを６０ｎｍ以下とする条件を満たす限り、複数のＩｎＧａＮ層を挿入してもよい。
【００３０】
［その他の実施形態］
第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、低温成長バッファ層２、アンドープ層３及びｎ型層４をＧａＮとしたが、これらの層の一部又は全部をＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜０．５）で形成することもできる。
【００３１】
また、第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、基板としてサファイア基板１を用いたが、Ｇａ２Ｏ３基板やＳｉＣ基板やＳｉ基板を用いることもできる。
【００３２】
更に、アモルファス状態の低温成長バッファ層２に代えて、結晶成長させたＡｌＮバッファ層を用いることもできる。
【００３３】
また、図３に示すように、基板としてＧａＮ基板２１を用いることもできる。この場合は、ｎ−ＧａＮ層４と同組成となるため、格子不整合や熱膨張係数の差異の問題が生じることがなく、図３に示すように、緩衝層としての低温成長バッファ層２及びその上に形成したアンドープＧａＮ層３を省略することが可能となる。
【実施例】
【００３４】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３５】
［実施例１］
（青色窒化物半導体発光素子の作製）
ＭＯＶＰＥ法により、図１に示す構造の青色（ピーク波長４６０ｎｍ）窒化物半導体発光素子を製造した。
【００３６】
まず、２インチ径のＣ面サファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置に導入した後に、１２００℃でサファイア基板１の表面をクリーニングし、その後５２０℃で低温成長ＧａＮバッファ層２を形成した。その上に１１５０℃でアンドープＧａＮ層３を２μｍ成長し、更に同じ温度でｎ型キャリア濃度を５×１０１８／ｃｍ３としたｎ−ＧａＮ層４を２μｍ成長した。
【００３７】
その後、成長温度を７８０℃として、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層３ｎｍ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層（０＜ｂ＜０.１３、厚さ＝３〜３０ｎｍ）の１〜１０ペアの多重量子井戸１５からなる発光層を成長した。量子井戸の成長は、まずｎ−ＧａＮ層４にバリア層を成長しその後に、井戸→バリア→井戸・・・の順で成長を行った。また、一番最後のバリア層の厚さは５ｎｍとした。また、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層のＩｎ組成比ａを０.１５とした。
【００３８】
その後、１１００℃で、ｐ型キャリア濃度を３×１０１７／ｃｍ３としたｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６を３０ｎｍ、ｐ型キャリア濃度を７×１０１７／ｃｍ３としたｐ−ＧａＮ層７を１７０ｎｍ成長した。
【００３９】
続いて、各ウエハの表面の一部をリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）装置によるエッチングによりｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングした。その後、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８（Ｎｉ２ｎｍ／Ａｕ４ｎｍ）を蒸着し、酸素中５００℃で５分間熱処理を行い、オーミック性の電極を形成した。続いて、ＲＩＥでエッチングした領域にＴｉ２００ｎｍ／Ａｌ５００ｎｍ／Ｔｉ２００ｎｍを蒸着し、窒素中６００℃１０分間の熱処理によりオーミック性を持つｎ電極１０とした。その後、Ｔｉ２００ｎｍ／Ａｕ８０００ｎｍを透明導電膜８と一部重なるように蒸着してｐ電極９を形成すると共に、さらにｎ電極１０上にも蒸着して、図１に示す構造の窒化物系半導体発光ダイオードを作製した。
【００４０】
［実施例２］
（緑色窒化物系半導体発光素子の作製）
ＭＯＶＰＥ法により、図１に示す構造の緑色（ピーク波長５２５ｎｍ）窒化物系半導体発光ダイオードを製造した。
【００４１】
まず、２インチ径のＣ面サファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置に導入した後に、１２００℃でサファイア基板１の表面をクリーニングし、その後５２０℃で低温成長ＧａＮバッファ層２を形成した。その上に１１５０℃でアンドープＧａＮ層３を２μｍ成長し、更に同じ温度でｎ型キャリア濃度を５×１０１８／ｃｍ３としたｎ−ＧａＮ層４を２μｍ成長した。
【００４２】
その後、成長温度を７３０℃として、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層３ｎｍ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層（０＜ｂ＜０.１３、厚さ＝３〜３０ｎｍ）の１〜１０ペアの多重量子井戸１５からなる発光層を成長した。量子井戸の成長は、実施例１と同様に、まずｎ−ＧａＮ層４にバリア層を成長しその後に、井戸→バリア→井戸・・・の順で成長を行った。また、一番最後のバリア層の厚さは５ｎｍとした。また、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層のＩｎ組成比ａを０.２５とした。
【００４３】
その後、１１００℃で、ｐ型キャリア濃度を３×１０１７／ｃｍ３としたｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６を３０ｎｍ、ｐ型キャリア濃度を７×１０１７／ｃｍ３としたｐ−ＧａＮ層７を１７０ｎｍ成長した。
【００４４】
続いて、実施例１と同様にして、各ウエハの表面の一部をＲＩＥ装置によりｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングし、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８を形成し、この透明導電膜８と一部重なるように蒸着してｐ電極９を形成すると共に、ＲＩＥでエッチングした領域にｎ電極１０を形成して、図１に示す構造の窒化物系半導体発光ダイオードを作製した。
【００４５】
［実験例］
実施例１及び２で得られた窒化物系半導体発光ダイオードについて、バリア厚が１０ｎｍで量子井戸のペア数を４とし、２０Ａ／ｃｍ２通電時の駆動電圧に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性、及び光出力に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性を調べた。結果を図４及び図５に示す。
【００４６】
図４に示す結果より、ＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成比が０.０４〜０.１の範囲で青色、緑色共に、従来（Ｉｎ組成比＝０）の場合よりも低駆動電圧で、３Ｖ未満を実現できることが分かった。
【００４７】
同様に、図５に示す結果より、ＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成比が０.０４〜０.１の範囲で青色、緑色共に、従来（Ｉｎ組成比＝０）の場合よりも、高出力な発光ダイオードが実現できることが分かった。
【００４８】
他方、Ｉｎ組成比が０.１よりも大きい場合には、青色、緑色共に、発光はほとんど観測されず（図５）、駆動電圧が１Ｖ程度であった（図４）。これは格子不整合が大きくなり格子欠陥が導入されたため、欠陥による漏れ電流が支配的な電流輸送機構となり、ｐｎ接合での発光再結合が生じなくなったためと考えられる。
【００４９】
上記のバリア厚１０ｎｍ、ペア数４以外の様々な組み合わせについても、同様な実験を行った結果、バリア層のＩｎ組成が０.０４〜０.１の範囲で、その厚さが５〜２０ｎｍの範囲であり、かつ、バリア層の厚さの合計が６０ｎｍ以下である場合に、上記と同様に駆動電圧を３Ｖ未満にできることが明らかとなった。
【００５０】
［実施例３］
図２に示すように、多重量子井戸５とｎ−ＧａＮ層４との間に、１〜２００ｎｍのアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７を挿入したＬＥＤを製作し、実施例１及び実施例２と同様の実験を行った。
【００５１】
その結果、上記の多重量子井戸活性層に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１、その厚さを５〜２０ｎｍとし、かつＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１の範囲としたアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７をバリア層全体の厚さに加えた合計の厚さが６０ｎｍ以下である場合に、実施例１、２と同様に駆動電圧を従来よりも低い３Ｖ未満とすることができた。
【００５２】
これに対して、バリア層全体の厚さが６０ｎｍ以下であっても、Ｉｎ組成ｂが０.０４〜０.１の範囲のアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７とバリア層全体の厚さとの合計が６０ｎｍを超えた場合には、新たな結晶欠陥が導入され、発光ダイオードとしての機能は失われてしまった。
【００５３】
［実施例４］
実施例３で、活性層の成長温度を６８０〜８００℃の範囲で変えて、発光のピーク波長が４３０〜５６０ｎｍの範囲の発光ダイオードを作製した。
【００５４】
この場合にも、実施例３と同様に、多重量子井戸活性層に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１、その厚さを５〜２０ｎｍとし、かつＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１の範囲としたアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７をバリア層全体の厚さに加えた合計の厚さが６０ｎｍ以下である場合に、実施例３と同様に駆動電圧を従来よりも低い３Ｖ未満とすることができた。
【００５５】
［実施例５］
実施例３で、低温バッファ層およびｎ型層をＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜０．５）とした発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５６】
［実施例６］
実施例３で、低温バッファ層に代えて、１１００℃で成長した１μｍのＡｌＮ層をバッファ層として用いて発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５７】
［実施例７］
実施例３で、基板をＳｉＣとし、バッファ層を１１００℃で成長した１００ｎｍのＡｌＮ層として発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５８】
［実施例８］
実施例３で、基板をＳｉとし、バッファ層を１１００℃で成長した１００ｎｍのＡｌＮ層として発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５９】
［実施例９］
実施例３で、図３に示すように、基板をＧａＮとしてこの上に直接ｎ型のＧａＮ層を成長して発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００６０】
［実施例１０］
実施例３で、基板をＡｌＮとしてこの上に直接ｎ型のＧａＮ層を成長して発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００６１】
［実施例１１］
実施例３で、基板をＧａ２Ｏ３としてこの上に直接ｎ型のＧａＮ層を成長して発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３】他の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図４】２０Ａ／ｃｍ２通電時の駆動電圧に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性を示すグラフである。
【図５】光出力に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性を示すグラフである。
【図６】従来例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ サファイア基板
２ 低温成長ＧａＮバッファ層
３ アンドープＧａＮ層
４ ｎ−ＧａＮ層
５ ＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸
６ ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
７ ｐ−ＧａＮ層
８ 透明導電膜
９ ｐ電極
１０ ｎ電極
１５ ＩｎａＧａ１−ａＮ／ＧａＮペア多重量子井戸
１７ アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層
２１ ＧａＮ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子本来の機能を損なうことなく、従来よりも低電圧で動作することが可能な窒化物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体は、緑色〜青色〜近紫外領域の発光素子（ＬＥＤ）用材料として、現在脚光を浴びている。
【０００３】
図６に、従来の窒化物半導体発光素子の構造例を示す。
この発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ−ＧａＮ層４、ＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＧａＮ（バリア層）ペア多重量子井戸５、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６、ｐ−ＧａＮ層７を順次形成し、さらに、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）装置によるエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層７の表面からｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングした後、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８（Ｎｉ２ｎｍ／Ａｕ４ｎｍ）を蒸着し、透明導電膜８と一部重なる部分にｐ電極９を、ＲＩＥでエッチングされたｎ−ＧａＮ層４の表面にｎ電極１０をそれぞれ形成したものである。
【０００４】
ＩｎａＧａ１−ａＮ井戸層／ＧａＮバリア層からなるペア多重量子井戸５は、例えば、ピーク波長が４６０ｎｍの青色発光素子の場合、Ｉｎの組成比ａを０．１５とし、成長温度を７８０℃として形成される。他方、ピーク波長が５２５ｎｍの緑色発光素子の場合、Ｉｎの組成比ａを０．２５とし、成長温度を７３０℃として形成される。
【０００５】
このような青色又は緑色で発光する窒化物半導体発光素子において、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すためには、従来、３Ｖ以上の電圧を印加する必要があった。この電圧値は、得られる光のエネルギー（青色の場合、発光ピーク波長を４６０ｎｍとすると、２.７ｅＶ、緑色の場合、発光ピーク波長を５２５ｎｍとすると、２.３６ｅＶとなる）と比較しても格段に大きい値である。このエネルギー差は、半導体内部で熱となり、窒化物半導体発光素子の動作時の温度を上昇させ、出力の低下、素子寿命の低下、封止樹脂の劣化などを引き起こすことになる。
【０００６】
この原因としては、従来の窒化物半導体発光素子では、多重量子井戸のバリア層として、図６に示すようなＧａＮ層、あるいは微量にＩｎを含むＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成３％以下）が用いられていたため、バリア層のバンドギャップが３Ｖ以上と大きくなり、この大きなバンドギャップが活性層内のキャリアの移動を妨げる障壁となるためと考えられる。以上より、窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減するためには、バリア層のバンドギャップを小さくすること、例えばＩｎ組成が４％以上のＩｎＧａＮ層をバリア層として用いることが有効と考えられる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特許第３１３５０４１号公報（実施例２、図１）
【特許文献２】特開２００２−７６５２１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された発光素子では、多重量子井戸内のバリア層のＩｎ組成を２０％としているため、下地層であるｎ型ＧａＮ層と活性層の間の格子不整合が大きくなり、活性層に新たな格子欠陥が導入され、発光素子として機能しなくなる可能性がある。
【０００８】
また、特許文献２に開示された発光素子では、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるバリア層と同一組成の光ガイド層を２００ｎｍの厚さで成長させているため、やはり、格子不整合に基づく結晶欠陥が導入され、発光素子としての機能が損なわれてしまうおそれがある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上記の問題を解決し、発光素子本来の機能を損なうことなく、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満として、従来よりも低電圧で動作することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決すべく、従来よりもＩｎ組成比の大きなＩｎＧａＮバリア層を用いて、駆動電圧が小さくしかも発光素子としての機能を損なわない発光素子を実現するために鋭意研究を重ね、格子欠陥を発生させないように多重量子井戸を含め素子全体の層構造を注意深く検討した結果、（１）多重量子井戸活性層に含まれるＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成を特定の範囲に設定することにより、発光素子の駆動電圧を従来よりも低減できること、（２）ＩｎＧａＮバリア層の厚さを特定の範囲とし、かつ、ＩｎＧａＮバリア層および素子に含まれる特定範囲のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層の厚さの合計を所定の厚さ以下とすることにより、新たな格子欠陥の導入を防止できること、を見出した。
【００１１】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型層、ＩｎＧａＮ井戸層／ＩｎＧａＮバリア層の複数ペアからなる多重量子井戸活性層、及びｐ型層を積層してなり、前記多重量子井戸活性層に含まれるＩｎＧａＮバリア層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．１）で表され、かつ、前記ＩｎＧａＮバリア層を含めて、発光素子に含まれるＩｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層の厚さの合計が６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
前記活性層の発光ピーク波長は、青色及び緑色の発光領域である４３０〜５６０ｎｍの範囲とすることができる。
【００１３】
前記ＩｎＧａＮバリア層の厚さを５〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００１４】
前記多重量子井戸活性層と前記ｎ型層との間に、Ｉｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層を挿入することもできる。
【００１５】
前記基板上にＧａＮ層又はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜０．５）を格子緩和した形態で形成し、その上に前記多重量子井戸活性層を形成することもできる。
【００１６】
前記基板は、サファイア、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮのいずれかからなる単結晶基板を用いることができる。
【００１７】
前記窒化物半導体発光素子を構成する積層構造の結晶成長は、気相成長装置内で行うのが好ましく、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置内で行うのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光素子の機能を損なわずに、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満とすることが可能となり、従来よりも低電圧で駆動する窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１に、第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の断面構造を示す。
この窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１上に、低温成長ＧａＮバッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ−ＧａＮ層４、ＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（バリア層）多重量子井戸１５、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６、ｐ−ＧａＮ層７を順次形成し、さらに、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）装置によるエッチングにより、ｐ−ＧａＮ層７の表面からｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングした後、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８（Ｎｉ２ｎｍ／Ａｕ４ｎｍ）を蒸着し、透明導電膜８と一部重なる部分にｐ電極９を、ＲＩＥでエッチングされたｎ−ＧａＮ層４の表面にｎ電極１０をそれぞれ形成したものである。
【００２１】
即ち、この窒化物半導体発光素子は、図６に示す従来の窒化物半導体発光素子のＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＧａＮ（バリア層）ペア多重量子井戸５をＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（バリア層）多重量子井戸１５に代えたことを特徴としている。
【００２２】
このＩｎａＧａ１−ａＮ（井戸層）／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（バリア層）多重量子井戸１５において、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂは、後述する実施例の結果からも明らかなように、０．０４〜０．１の範囲とすることにより、２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満とすることができる。
【００２３】
更に、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層の厚さを５〜２０ｎｍの範囲とし、かつ、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層の厚さの合計を６０ｎｍ以下とすることにより、窒化物半導体発光素子の機能を損なうことがない。
【００２４】
ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のバリア数は、ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層の厚さの合計が６０ｎｍ以下となる範囲で適宜設定することができる。
【００２５】
なお、ピーク波長４６０ｎｍの青色素子の場合は、ＩｎａＧａ１−ａＮ井戸層のａを０．１５とし、ピーク波長５２５ｎｍの緑色素子の場合は、ａを０．２５とできる点は従来例と同様である。
【００２６】
［第２の実施の形態］
図２に、第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の断面構造を示す。
この窒化物半導体発光素子は、図１に示す構造の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子のｎ−ＧａＮ層４とＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸１５との間に、アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７を挿入した層構成とした以外は、第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と同様に形成されている。
【００２７】
この窒化物半導体発光素子においても、ＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸１５に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０．０４〜０．１の範囲とし、かつバリア層の厚さを５〜２０ｎｍの範囲としているが、更にアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７のＩｎ組成比ｂも０．０４〜０．１の範囲とし、このアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７の厚さとＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層全体の厚さの合計の厚みを６０ｎｍ以下としている。これより、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体発光素子の機能を損なうことがなく、かつ２０Ａ／ｃｍ２の密度の電流を流すために必要な電圧を３Ｖ未満とすることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、格子整合の観点から、アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７のＩｎ組成比をバリア層のＩｎ組成比と同じｂとしたが、０．０４〜０．１の範囲内で、バリア層の組成比とは別個独立した値とすることもできる。
【００２９】
また、本実施形態では、ｎ−ＧａＮ層４とＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸１５との間に、アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７を１層挿入した層構成としたが、上記のようにＩｎ組成比ｂを０．０４〜０．１の範囲とし、かつバリア層を含めたＩｎＧａＮ層合計厚みを６０ｎｍ以下とする条件を満たす限り、複数のＩｎＧａＮ層を挿入してもよい。
【００３０】
［その他の実施形態］
第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、低温成長バッファ層２、アンドープ層３及びｎ型層４をＧａＮとしたが、これらの層の一部又は全部をＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜０．５）で形成することもできる。
【００３１】
また、第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、基板としてサファイア基板１を用いたが、Ｇａ２Ｏ３基板やＳｉＣ基板やＳｉ基板を用いることもできる。
【００３２】
更に、アモルファス状態の低温成長バッファ層２に代えて、結晶成長させたＡｌＮバッファ層を用いることもできる。
【００３３】
また、図３に示すように、基板としてＧａＮ基板２１を用いることもできる。この場合は、ｎ−ＧａＮ層４と同組成となるため、格子不整合や熱膨張係数の差異の問題が生じることがなく、図３に示すように、緩衝層としての低温成長バッファ層２及びその上に形成したアンドープＧａＮ層３を省略することが可能となる。
【実施例】
【００３４】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３５】
［実施例１］
（青色窒化物半導体発光素子の作製）
ＭＯＶＰＥ法により、図１に示す構造の青色（ピーク波長４６０ｎｍ）窒化物半導体発光素子を製造した。
【００３６】
まず、２インチ径のＣ面サファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置に導入した後に、１２００℃でサファイア基板１の表面をクリーニングし、その後５２０℃で低温成長ＧａＮバッファ層２を形成した。その上に１１５０℃でアンドープＧａＮ層３を２μｍ成長し、更に同じ温度でｎ型キャリア濃度を５×１０１８／ｃｍ３としたｎ−ＧａＮ層４を２μｍ成長した。
【００３７】
その後、成長温度を７８０℃として、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層３ｎｍ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層（０＜ｂ＜０.１３、厚さ＝３〜３０ｎｍ）の１〜１０ペアの多重量子井戸１５からなる発光層を成長した。量子井戸の成長は、まずｎ−ＧａＮ層４にバリア層を成長しその後に、井戸→バリア→井戸・・・の順で成長を行った。また、一番最後のバリア層の厚さは５ｎｍとした。また、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層のＩｎ組成比ａを０.１５とした。
【００３８】
その後、１１００℃で、ｐ型キャリア濃度を３×１０１７／ｃｍ３としたｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６を３０ｎｍ、ｐ型キャリア濃度を７×１０１７／ｃｍ３としたｐ−ＧａＮ層７を１７０ｎｍ成長した。
【００３９】
続いて、各ウエハの表面の一部をリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）装置によるエッチングによりｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングした。その後、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８（Ｎｉ２ｎｍ／Ａｕ４ｎｍ）を蒸着し、酸素中５００℃で５分間熱処理を行い、オーミック性の電極を形成した。続いて、ＲＩＥでエッチングした領域にＴｉ２００ｎｍ／Ａｌ５００ｎｍ／Ｔｉ２００ｎｍを蒸着し、窒素中６００℃１０分間の熱処理によりオーミック性を持つｎ電極１０とした。その後、Ｔｉ２００ｎｍ／Ａｕ８０００ｎｍを透明導電膜８と一部重なるように蒸着してｐ電極９を形成すると共に、さらにｎ電極１０上にも蒸着して、図１に示す構造の窒化物系半導体発光ダイオードを作製した。
【００４０】
［実施例２］
（緑色窒化物系半導体発光素子の作製）
ＭＯＶＰＥ法により、図１に示す構造の緑色（ピーク波長５２５ｎｍ）窒化物系半導体発光ダイオードを製造した。
【００４１】
まず、２インチ径のＣ面サファイア基板１をＭＯＶＰＥ装置に導入した後に、１２００℃でサファイア基板１の表面をクリーニングし、その後５２０℃で低温成長ＧａＮバッファ層２を形成した。その上に１１５０℃でアンドープＧａＮ層３を２μｍ成長し、更に同じ温度でｎ型キャリア濃度を５×１０１８／ｃｍ３としたｎ−ＧａＮ層４を２μｍ成長した。
【００４２】
その後、成長温度を７３０℃として、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層３ｎｍ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層（０＜ｂ＜０.１３、厚さ＝３〜３０ｎｍ）の１〜１０ペアの多重量子井戸１５からなる発光層を成長した。量子井戸の成長は、実施例１と同様に、まずｎ−ＧａＮ層４にバリア層を成長しその後に、井戸→バリア→井戸・・・の順で成長を行った。また、一番最後のバリア層の厚さは５ｎｍとした。また、ＩｎａＧａ１−ａＮ量子井戸層のＩｎ組成比ａを０.２５とした。
【００４３】
その後、１１００℃で、ｐ型キャリア濃度を３×１０１７／ｃｍ３としたｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層６を３０ｎｍ、ｐ型キャリア濃度を７×１０１７／ｃｍ３としたｐ−ＧａＮ層７を１７０ｎｍ成長した。
【００４４】
続いて、実施例１と同様にして、各ウエハの表面の一部をＲＩＥ装置によりｎ−ＧａＮ層４の一部までエッチングし、ＲＩＥでエッチングされなかったｐ−ＧａＮ層７の表面に透明導電膜８を形成し、この透明導電膜８と一部重なるように蒸着してｐ電極９を形成すると共に、ＲＩＥでエッチングした領域にｎ電極１０を形成して、図１に示す構造の窒化物系半導体発光ダイオードを作製した。
【００４５】
［実験例］
実施例１及び２で得られた窒化物系半導体発光ダイオードについて、バリア厚が１０ｎｍで量子井戸のペア数を４とし、２０Ａ／ｃｍ２通電時の駆動電圧に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性、及び光出力に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性を調べた。結果を図４及び図５に示す。
【００４６】
図４に示す結果より、ＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成比が０.０４〜０.１の範囲で青色、緑色共に、従来（Ｉｎ組成比＝０）の場合よりも低駆動電圧で、３Ｖ未満を実現できることが分かった。
【００４７】
同様に、図５に示す結果より、ＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成比が０.０４〜０.１の範囲で青色、緑色共に、従来（Ｉｎ組成比＝０）の場合よりも、高出力な発光ダイオードが実現できることが分かった。
【００４８】
他方、Ｉｎ組成比が０.１よりも大きい場合には、青色、緑色共に、発光はほとんど観測されず（図５）、駆動電圧が１Ｖ程度であった（図４）。これは格子不整合が大きくなり格子欠陥が導入されたため、欠陥による漏れ電流が支配的な電流輸送機構となり、ｐｎ接合での発光再結合が生じなくなったためと考えられる。
【００４９】
上記のバリア厚１０ｎｍ、ペア数４以外の様々な組み合わせについても、同様な実験を行った結果、バリア層のＩｎ組成が０.０４〜０.１の範囲で、その厚さが５〜２０ｎｍの範囲であり、かつ、バリア層の厚さの合計が６０ｎｍ以下である場合に、上記と同様に駆動電圧を３Ｖ未満にできることが明らかとなった。
【００５０】
［実施例３］
図２に示すように、多重量子井戸５とｎ−ＧａＮ層４との間に、１〜２００ｎｍのアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７を挿入したＬＥＤを製作し、実施例１及び実施例２と同様の実験を行った。
【００５１】
その結果、上記の多重量子井戸活性層に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１、その厚さを５〜２０ｎｍとし、かつＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１の範囲としたアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７をバリア層全体の厚さに加えた合計の厚さが６０ｎｍ以下である場合に、実施例１、２と同様に駆動電圧を従来よりも低い３Ｖ未満とすることができた。
【００５２】
これに対して、バリア層全体の厚さが６０ｎｍ以下であっても、Ｉｎ組成ｂが０.０４〜０.１の範囲のアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７とバリア層全体の厚さとの合計が６０ｎｍを超えた場合には、新たな結晶欠陥が導入され、発光ダイオードとしての機能は失われてしまった。
【００５３】
［実施例４］
実施例３で、活性層の成長温度を６８０〜８００℃の範囲で変えて、発光のピーク波長が４３０〜５６０ｎｍの範囲の発光ダイオードを作製した。
【００５４】
この場合にも、実施例３と同様に、多重量子井戸活性層に含まれるＩｎｂＧａ１−ｂＮバリア層のＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１、その厚さを５〜２０ｎｍとし、かつＩｎ組成比ｂを０.０４〜０.１の範囲としたアンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層１７をバリア層全体の厚さに加えた合計の厚さが６０ｎｍ以下である場合に、実施例３と同様に駆動電圧を従来よりも低い３Ｖ未満とすることができた。
【００５５】
［実施例５］
実施例３で、低温バッファ層およびｎ型層をＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜０．５）とした発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５６】
［実施例６］
実施例３で、低温バッファ層に代えて、１１００℃で成長した１μｍのＡｌＮ層をバッファ層として用いて発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５７】
［実施例７］
実施例３で、基板をＳｉＣとし、バッファ層を１１００℃で成長した１００ｎｍのＡｌＮ層として発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５８】
［実施例８］
実施例３で、基板をＳｉとし、バッファ層を１１００℃で成長した１００ｎｍのＡｌＮ層として発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００５９】
［実施例９］
実施例３で、図３に示すように、基板をＧａＮとしてこの上に直接ｎ型のＧａＮ層を成長して発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００６０】
［実施例１０］
実施例３で、基板をＡｌＮとしてこの上に直接ｎ型のＧａＮ層を成長して発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【００６１】
［実施例１１］
実施例３で、基板をＧａ２Ｏ３としてこの上に直接ｎ型のＧａＮ層を成長して発光ダイオードを製作した。この場合にも、実施例３と同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３】他の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図４】２０Ａ／ｃｍ２通電時の駆動電圧に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性を示すグラフである。
【図５】光出力に対するＩｎＧａＮバリア層のＩｎ組成依存性を示すグラフである。
【図６】従来例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ サファイア基板
２ 低温成長ＧａＮバッファ層
３ アンドープＧａＮ層
４ ｎ−ＧａＮ層
５ ＩｎａＧａ１−ａＮ／ＩｎｂＧａ１−ｂＮ多重量子井戸
６ ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
７ ｐ−ＧａＮ層
８ 透明導電膜
９ ｐ電極
１０ ｎ電極
１５ ＩｎａＧａ１−ａＮ／ＧａＮペア多重量子井戸
１７ アンドープＩｎｂＧａ１−ｂＮ層
２１ ＧａＮ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型層、ＩｎＧａＮ井戸層／ＩｎＧａＮバリア層の複数ペアからなる多重量子井戸活性層、及びｐ型層を積層してなり、
前記多重量子井戸活性層に含まれるＩｎＧａＮバリア層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．１）で表され、
かつ、前記ＩｎＧａＮバリア層を含めて、発光素子に含まれるＩｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層の厚さの合計が６０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層の発光ピーク波長が４３０〜５６０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＩｎＧａＮバリア層の厚さが５〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記多重量子井戸活性層と前記ｎ型層との間に、Ｉｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層を挿入したことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記多重量子井戸活性層が、基板上に形成されたＧａＮ層又はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜０．５）の上に形成されることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板は、サファイア、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮのいずれかからなる単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型層、ＩｎＧａＮ井戸層／ＩｎＧａＮバリア層の複数ペアからなる多重量子井戸活性層、及びｐ型層を積層してなり、
前記多重量子井戸活性層に含まれるＩｎＧａＮバリア層の組成がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．１）で表され、
かつ、前記ＩｎＧａＮバリア層を含めて、発光素子に含まれるＩｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層の厚さの合計が６０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層の発光ピーク波長が４３０〜５６０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＩｎＧａＮバリア層の厚さが５〜２０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記多重量子井戸活性層と前記ｎ型層との間に、Ｉｎ組成比が０．０４〜０．１の範囲のＩｎＧａＮ層を挿入したことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記多重量子井戸活性層が、基板上に形成されたＧａＮ層又はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜０．５）の上に形成されることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板は、サファイア、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮのいずれかからなる単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３０５８５１（Ｐ２００７−３０５８５１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３３８０９（Ｐ２００６−１３３８０９）
【出願日】平成１８年５月１２日（２００６．５．１２）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１２日（２００６．５．１２）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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