窒化物半導体発光素子
【課題】電力効率が良好な窒化物半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、下部発光層と、上部発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備える。下部発光層は、複数の下部井戸層と、下部井戸層に挟まれ下部井戸層よりバンドギャップの大きい下部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層は、複数の上部井戸層と、上部井戸層に挟まれ上部井戸層よりバンドギャップの大きい上部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層における上部バリア層の厚さは、下部発光層における下部バリア層の厚さよりも薄い。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、下部発光層と、上部発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備える。下部発光層は、複数の下部井戸層と、下部井戸層に挟まれ下部井戸層よりバンドギャップの大きい下部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層は、複数の上部井戸層と、上部井戸層に挟まれ上部井戸層よりバンドギャップの大きい上部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層における上部バリア層の厚さは、下部発光層における下部バリア層の厚さよりも薄い。
【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】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下「窒化物半導体」と呼ぶ）は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップを有しているため、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子やその領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料として有用である。
【０００３】
また、窒化物半導体は、窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。
【０００４】
さらに、窒化物半導体は、環境を害することがほとんどなく、取り扱いやすい材料としても注目されている。
【０００５】
このような窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子では、発光層として量子井戸構造を採用することが一般的である。電圧が印加されると、発光層中の井戸層において電子とホールとが再結合され、これにより、光が発生する。発光層は、単一量子井戸構造からなっても良いし、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造からなっても良い。
【０００６】
特許文献１には、活性層（本願における発光層に相当）が、アンドープＧａＮバリア層とｎ型不純物（本願におけるドーパントに相当）がドープされたＩｎＧａＮ量子井戸層とが順次積層されてなることが記載されている。また、このアンドープＧａＮバリア層は、上記ＩｎＧａＮ量子井戸層と接する界面に拡散防止膜を具備していることが記載されており、この拡散防止膜はＩｎＧａＮ量子井戸層よりも低濃度のｎ型不純物を含んでいることが記載されている。
【０００７】
特許文献２には、活性層がｎ型不純物を含んでいること、および活性層におけるｎ型不純物濃度はｎ層側の方がｐ層側よりも高いことが記載されており、また、活性層ではｎ型不純物濃度はｎ層側の方がｐ層側よりも高いので、ｎ層側から活性層へのドナーの供給を補うことができ、発光出力の高い窒化物半導体素子が得られることも記載されている。
【０００８】
特許文献３には、量子井戸活性層における井戸層の厚さに対しバリア層の厚さを１３倍以上とすることにより、良好な光出力パワーが得られることが記載されている。
【０００９】
ところで、近年、窒化物半導体発光素子の用途として液晶のバックライトや照明用の電球が検討されており、窒化物半導体発光素子を大電流で駆動する場合が増加している。
【００１０】
特許文献４には、「ＩｎＧａＮ発光層を有する市販のＩＩＩ族窒化物デバイスは、５０Åより薄く、典型的には約１×１０18ｃｍ-3より少なくドープされている複数の量子井戸発光層を有することが多いが、その理由は、これらの量子井戸設計が、特に低駆動電流において、低品質エピタキシャル材料の性能を改善できるからである。照明のために望ましい高駆動電流においては、こうしたデバイスは、電流密度が増加するにつれて効率が低下してしまう。」という背景のもと、活性層厚を５０Åと２５０Åの間とするという従来に比べて厚い単一井戸層を活性層とすることにより、大電流駆動時における特性を向上させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１０９４２５号公報
【特許文献２】特開２００５−０５７３０８号公報
【特許文献３】特開２００７−１５０３１２号公報
【特許文献４】特開２００７−０６７４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の技術にしたがって窒化物半導体発光素子を製造し、製造された窒化物半導体発光素子を大電流で駆動すると、発光効率の低下を招くことがあり、また動作電圧が上がって消費電力が大きくなることがある。これらのことから、単位電力当たりの発光効率（電力効率）の低下を招くことがある。
【００１３】
一般に、窒化物半導体発光素子に印加される電流密度が比較的小さい場合及び大きい場合に発光効率が低下する。電流密度が比較的小さい場合に発光効率が低下する理由は、非発光再結合を引き起こす準位（結晶欠陥など）が発光層に多数存在するからであると考えられている。そのため、従来における窒化物半導体発光素子の発光効率の向上対策は、主として、発光層における結晶欠陥の低減であった。
【００１４】
しかし、窒化物半導体発光素子に印加される電流密度が大きくなると、発光層における結晶欠陥以外の要因による発光効率の低減が生じる。この原因として、オージェ再結合説、ピエゾ電界説、オーバーフロー説などが唱えられている。
【００１５】
オージェ再結合説は、大電流密度における発光効率の低下の原因の１つとして、活性層の注入キャリア密度が高くなることに伴い、オージェ再結合（注入キャリア密度の３乗に比例して再結合確率が増大する非発光再結合）が支配的になるというものである。
【００１６】
ピエゾ電界説は、以下のようなものである。井戸層の組成がＩｎxＧａ1-xＮでありバリア層の組成がＧａＮである場合、両者の格子定数が異なるため、本来ならば断面形状が正方形状である格子が長方形状に伸ばされる、あるいは圧縮される。それに伴い、結晶中、特に井戸層中に「ピエゾ電界」が生じ、その影響により半導体のエネルギーバンド（バレンスバンド、コンダクションバンド）の傾きが生じ、ホールと電子との密度分布が最大となる位置が井戸層の両側に空間的に分離する。そのため、電子とホールとの発光再結合が妨げられる（発光再結合の寿命が長くなる）というものである。
【００１７】
オーバーフロー説は、電子の発光層への注入を多くすると、電子が発光層からあふれでてｐ側の層に達し、そのｐ側の層で非発光再結合により消滅するというものである。
【００１８】
いずれの説であっても、大電流駆動時における発光効率低下を抑制するためには、井戸層における注入キャリア密度を低くする、すなわち井戸層の体積を大きくすることが望ましい。
【００１９】
注入キャリア密度を低くする方法の一つとして、チップサイズを大きくして、発光面積を増大して、単位面積当たりの電流値を下げることにより、実際の単位体積あたりのキャリア濃度を下げるという手法が考えられる。しかし、チップサイズを大きくすると、１枚のウエハから製造できるチップの個数が減少するため、窒化物半導体発光素子の価格の上昇を招く。
【００２０】
注入キャリア密度を低くする別の方法として、多重量子井戸構造における井戸層の層厚を厚くしたり、井戸層の層数を増やすなどの手法が考えられる。しかし、井戸層の層厚を厚くしすぎると、井戸層の結晶品質の低下を招く。また、井戸層の層数を増やしすぎると、窒化物半導体発光素子の動作電圧の上昇を招く。さらに、注入される電子とホールの密度分布が異なると、見かけの井戸層の体積を増加しても、実効的な井戸層の体積はそれに比例して増加しない。
【００２１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光層の結晶品質を低下させず、大電流で駆動しても、動作電圧の上昇が防止され、発光効率が向上し、よって、電力効率が良好な窒化物半導体発光素子を作製することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、下部発光層と、上部発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備える。下部発光層は、複数の下部井戸層と、下部井戸層に挟まれ下部井戸層よりバンドギャップの大きい下部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層は、複数の上部井戸層と、上部井戸層に挟まれ上部井戸層よりバンドギャップの大きい上部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層における上部バリア層の厚さは、下部発光層における下部バリア層の厚さよりも薄い。
【００２３】
この構成は、上部発光層のバリア層厚が薄い部分を主たる発光層として機能させ、下部発光層のバリア層厚が厚い部分を結晶回復層として機能させるという考えから導かれた。
【００２４】
窒化物半導体発光素子の発光層は、一般にＩｎzＧａ1-zＮ（ｚ＞０）から成る井戸層を含むため、発光層の成長温度は、ＧａＮやＡｌＧａＮなどＩｎを含まない窒化物半導体層の成長温度に比べて低い。また、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で結晶成長させる場合は、キャリアガスの大部分として窒素を使っており、水素は全く使わないか、使ったとしてもごく微量である。このような成長条件から、発光層では、結晶欠陥が発生しやすい。
【００２５】
発光層に結晶欠陥が存在していても、その影響をできるだけ受けずに発光効率を上げるためには、結晶欠陥に注入キャリアが捕獲される前に発光再結合が起こる必要があり、そのためには、井戸層におけるピエゾ電界によるバンドの傾きを小さくする必要がある。しかし、表面がＣ面であるサファイア基板を使って窒化物半導体結晶をｃ軸方向に成長させ、窒化物半導体結晶の多くをＧａＮで形成し、その中に格子定数の異なるＩｎzＧａ1-zＮ（ｚ＞０）井戸層を設けてその井戸層で発光させるという一般的な構造の場合には、井戸層の格子定数が井戸層以外の窒化物半導体層の格子定数とは異なることに伴い、井戸層中にピエゾ電界が必然的に生じる。本発明では、井戸層中のピエゾ電界を小さくするために、発光への寄与が特に大きい上部発光層におけるバリア層を薄くするという着想に至った。
【００２６】
本発明者は、単にバリア層の厚さを薄くするだけでも、バリア層と井戸層との平均組成に対するバリア層の組成の違いが減少し、井戸層中のピエゾ電界を低減できると推定している。また、発光層全体においてバリア層を薄くすると結晶欠陥が増大するため、発光層のうち主に発光しているｐ層側の発光層のバリア層だけを薄くしてピエゾ電界を低減し、ｎ層側の発光層においては、井戸層の成長後に蓄積される結晶欠陥をバリア層で低減する効果を重視してバリア層を厚くした。バリア層は、Ｉｎを含まないか、Ｉｎを含んでいても井戸層よりもＩｎ組成が低いために、バリア層の結晶品質を高めることが井戸層の結晶品質を高めることよりも容易である。よって、ｎ層側の発光層におけるバリア層を厚く成長することで、井戸層で低下した結晶品質が回復するという役割を果たすと推定している。
【００２７】
さらに、結晶品質だけを考えると、下部発光層から井戸層を無くし、バリア層だけにすることが望ましいように考えられるが、実際には、下部発光層にはひずみを緩和する効果があると考えられる。従って、上部発光層のピエゾ電界を低減するためには、下部発光層に井戸層が含まれることが好ましい。
【００２８】
また、上部発光層におけるバリア層を薄くすると、以下の効果もあると推定している。発光層において、ｐ層側から注入されるホールの発光層全体への拡散が十分でないため、ｐ層に近い井戸層の方がホール密度が大きく、ｐ層から離れるについてホール密度が小さくなる。ホールをより下側の井戸層まで拡散させるためには、井戸層の間に設けているバリア層の厚さを薄くし、下の井戸層までの距離を短くすればよいと考えられる。一方、発光層としての働きが少ない下部発光層には、バリア層を薄くしてもホールが届きにくいので、その部分は結晶回復層としての働きを重視してバリア層を厚くする。これにより、上部発光層における結晶品質及び発光効率の向上が図れる。
【００２９】
上部バリア層の厚さは、下部バリア層の厚さより０．５ｎｍ以上薄いことが好ましい。
下部バリア層及び上部バリア層の各層の厚さは、直下の層の厚さと同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて薄くなっていることが好ましい。ここで、「直下の層」とは、着目している下部バリア層に対して下部井戸層１層を挟んでｎ型窒化物半導体側に位置する下部バリア層を意味し、着目している上部バリア層に対して上部井戸層１層を挟んでｎ型窒化物半導体側に位置する上部バリア層を意味する。
【００３０】
下部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度は、上部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度より高いことが好ましい。
【００３１】
下部発光層は、上部発光層に対するｎ型キャリア注入層としても働くため、下部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度を上部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高くすることで、電子の移動が容易になり、その部分の電気抵抗が低減し、駆動電圧を低減できる。
【００３２】
下部バリア層及び上部バリア層の各層の平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて低くなっていることが好ましい。ここで「直下の層」とは上述の通りである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、大電流で駆動しても、動作電圧の上昇が防止され、発光効率の低下が防止され、よって、電力効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層におけるバンドギャップＥｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。
【図４】実施例１の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
なお、以下では、「バリア層」は、井戸層に挟まれた層を指し、井戸層に挟まれていない層は、「最初のバリア層」または「最後のバリア層」という形で井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。本発明においては、井戸層と井戸層との間に形成されたバリア層におけるホールあるいは電子の移動が特に重要だからである。
【００３６】
また、以下の実施の形態では、「下部発光層」および「上部発光層」という表記を用いているが、「下部発光層」とはｎ側窒化物半導体層に近い側の層を指すための便宜上の表現であり、「上部発光層」とはｐ側窒化物半導体層に近い側を指すための便宜上の表現である。例えば図１の上下を反転させても、「下部発光層」および「上部発光層」の表記は変わらない。「上部発光層」の上に基板を設けても良いし、また基板を剥離して基板のない窒化物半導体発光素子としてもよい。
【００３７】
また、以下では「キャリア濃度」という言葉と「ドーピング濃度」という言葉とを用いているが、その関係については後述する。
【００３８】
また、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。さらに、本発明の図面において、長さ、幅、および厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００３９】
図１および図２は、それぞれ、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１の概略断面図および概略平面図である。図２に示すＩ−Ｉ線における断面図が図１に相当する。また、図３は、図１に示された窒化物半導体発光素子１における超格子層１１からｐ型窒化物半導体層１６までにおけるバンドギャップＥｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。図３の縦軸方向は図１に示す層の上下方向であり、図３の横軸のＥｇは各組成におけるバンドギャップの大きさを模式的に表している。また、図３では、ｎ型ドーピングを行なう層には斜線を塗っている。
【００４０】
＜窒化物半導体発光素子＞
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１は、基板３の上面上に、バッファ層５と、下地層７と、ｎ型窒化物半導体層９，１０と、超格子層１１と、下部発光層１３と、上部発光層１５と、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８とがこの順に積層されてメサ部３０（図２参照）が構成されている。メサ部３０の外側においては、ｎ型窒化物半導体層１０の上面の一部分が超格子層１１に覆われずに露出しており、その露出部分の上には、ｎ側電極２１が設けられている。ｐ型窒化物半導体層１８の上には、透明電極２３を介してｐ側電極２５が設けられている。窒化物半導体発光素子１のほぼ上面全体には、ｐ側電極２５およびｎ側電極２１が露出するように、透明保護膜２７が設けられている。
【００４１】
＜基板＞
基板３は、たとえば、サファイアのような絶縁性基板であっても良いし、ＧａＮ、ＳｉＣ、またはＺｎＯなどのような導電性基板であっても良い。基板３の厚さは１２０μｍとしたが、特に限定されず、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下であれば良い。基板３の上面は、平坦であっても良いし、図１に示すように凸部３Ａおよび凹部３Ｂからなる凹凸形状を有していても良い。
【００４２】
＜バッファ層＞
バッファ層５は、たとえばＡｌs0ＧａtoＮ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌＮ層である。ただし、Ｎのごく一部（０．５〜２％）を酸素に置き換えても良い。これにより、基板３の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層５が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層５が得られる。
【００４３】
バッファ層５の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば良く、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００４４】
＜下地層＞
下地層７は、たとえばＡｌs1Ｇａt1Ｉｎu1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌs1Ｇａt1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、ｓ１＋ｔ１≠０）層であり、より好ましくはＧａＮ層である。これにより、バッファ層５中に存在する結晶欠陥（たとえば転位など）がバッファ層５と下地層７との界面付近でループされ易くなり、よって、その結晶欠陥がバッファ層５から下地層７へ引き継がれることを防止できる。
【００４５】
下地層７は、ｎ型不純物を含んでいても良い。しかし、下地層７がｎ型不純物を含んでいなければ、下地層７の良好な結晶性を維持することができる。よって、下地層７はｎ型不純物を含んでいないことが好ましい。
【００４６】
下地層７の厚みを厚くすることにより下地層７中の欠陥は減少するが、下地層７の厚みをある程度以上厚くしても下地層７における欠陥減少効果が飽和する。このことより、下地層７の厚さは、特に限定されないが、１μｍ以上８μｍ以下であれば良い。
【００４７】
＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層９及び１０は、たとえばＡｌs2Ｇａt2Ｉｎu2Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≒１）層にｎ型不純物がドーピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌs2Ｇａ1-s2Ｎ（０≦ｓ２≦１、好ましくは０≦ｓ２≦０．５、より好ましくは０≦ｓ２≦０．１）層にｎ型不純物がドーピングされた層である。
【００４８】
ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであれば良く、好ましくはＳｉである。このことは、後述の各層においても言える。
【００４９】
ｎ型窒化物半導体層９及び１０におけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０17ｃｍ-3以下であれば良い。
【００５０】
ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みが厚い方が、その抵抗が減少する。そのため、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みは厚い方が好ましい。しかし、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みを厚くすると、コストアップになる。そのため、実用的には、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みは薄い方が好ましい。ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚さは、特に限定されないが、実用上１μｍ以上１０μｍ以下であれば良い。
【００５１】
なお、ｎ型窒化物半導体層９及び１０は、後述する実施例１においては同じｎ型ＧａＮ層を一旦中断して２つの成長工程によって形成したものであるが、ｎ型窒化物半導体層９とｎ型窒化物半導体層１０とを連続して単層としても良いし、３層以上の積層構造を有していても良い。各層は、同一の組成からなっても良いし、異なる組成からなっても良い。また、各層は、同一の膜厚を有していても良いし、異なる膜厚を有していても良い。
【００５２】
＜超格子層＞
本明細書における超格子層とは、非常に薄い結晶層を交互に積層することにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる層を意味する。図３に示すように、超格子層１１では、ワイドバンドギャップ層１１Ａとナローバンドギャップ層１１Ｂとが交互に積層されて超格子構造を構成しており、その周期構造がワイドバンドギャップ層１１Ａを構成する半導体材料の基本単位格子およびナローバンドギャップ層１１Ｂを構成する半導体材料の基本単位格子よりも長くなっている。なお、超格子層１１は、ワイドバンドギャップ層１１Ａおよびナローバンドギャップ層１１Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、ワイドバンドギャップ層１１Ａと、ナローバンドギャップ層１１Ｂとが順に積層されて超格子構造を構成していても良い。また、超格子層１１の一周期の長さ（つまり、ワイドバンドギャップ層１１Ａの層厚とナローバンドギャップ層１１Ｂの層厚との合計）は、後述の下部発光層１３の一周期の長さよりも短く、具体的には１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００５３】
各ワイドバンドギャップ層１１Ａは、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。
【００５４】
各ナローバンドギャップ層１１Ｂの組成は、たとえばワイドバンドギャップ層１１Ａよりもバンドギャップが小さく、且つ下記下部井戸層１３Ｂおよび上部井戸層１５Ｂの各バンドギャップより大きいＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａbＩｎ(1-b)Ｎ（０＜ｂ≦１）である。
【００５５】
各ワイドバンドギャップ層１１Ａ及び各ナローバンドギャップ層１１Ｂの少なくとも一方は、ｎ型ドーパントを含んでいることが好ましい。ワイドバンドギャップ層１１Ａとナローバンドギャップ層１１Ｂとの両方がアンドープであると、駆動電圧が上昇するためである。
【００５６】
なお、ワイドバンドギャップ層１１Ａおよびナローバンドギャップ層１１Ｂの各層数は、図３では２０としたが、例えば２から５０であればよい。
【００５７】
超格子層１１は、ｎ型窒化物半導体層９及び１０に存在する貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの結晶欠陥を低減し、下部発光層１３及び上部発光層１５における結晶欠陥を減少させるために設けているが、結晶欠陥が少ない場合や下部発光層１３に超格子層１１の結晶欠陥低減機能を兼ねさせる場合には省略することができる。
【００５８】
＜下部発光層＞
下部発光層１３は、図３に示すように、下部井戸層１３Ｂと下部バリア層１３Ａとが交互に積層されることにより下部バリア層１３Ａが下部井戸層１３Ｂに挟まれて構成されたものであり、最初の下部バリア層１３Ａ’を介して超格子層１１の上に設けられている。下部バリア層１３Ａのバンドギャップは、下部井戸層１３Ｂのバンドギャップより大きい。なお、下部発光層１３は、超格子層１１と同じく、下部バリア層１３Ａおよび下部井戸層１３Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、下部バリア層１３Ａと、下部井戸層１３Ｂと、が順に積層されていても良い。また、下部発光層１３の一周期の長さ（下部バリア層１３Ａと下部井戸層１３Ｂの合計の厚さ）は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００５９】
各下部井戸層１３Ｂの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されるが、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎcＧａ(1-c)Ｎ（０＜ｃ≦１）層である。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。
【００６０】
各下部バリア層１３Ａおよび最初の下部バリア層１３Ａ’は、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）層であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。ただし、下部バリア層１３Ａは下部井戸層１３Ｂよりバンドギャップを大きくする必要があるため、適宜Ｉｎ、Ａｌあるいはその両方を導入してバンドギャップを調整する。
【００６１】
下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度は、後述の上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高いことが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子１を大電流で駆動しても、その駆動電圧の上昇が抑えられるため、電力効率の低下を防止できる。ただし、他の手法により駆動電圧の上昇を抑えることができれば、下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度が上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも低い方が発光効率が向上するため好ましいと考えられる。
【００６２】
駆動電圧の上昇を抑えるという観点からは、各下部井戸層１３Ｂと各下部バリア層１３Ａおよび最初の下部バリア層１３Ａ’の少なくとも一方のバリア層とはｎ型ドーパントを含むことが好ましい。また、各下部バリア層１３Ａのｎ型ドーピング濃度が各下部井戸層１３Ｂのｎ型ドーピング濃度より高いことがより好ましい。
【００６３】
各下部井戸層１３Ｂ及び各下部バリア層１３Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０17ｃｍ-3以上であれば良く、好ましくは３×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下である。下部発光層１３の平均キャリア濃度（ドーパントがＳｉの場合ほぼｎ型ドーピング濃度に等しい）が１×１０17ｃｍ-3未満であれば、窒化物半導体発光素子１の駆動電圧が上昇する傾向にある。
【００６４】
各下部井戸層１３Ｂの厚さは、特に限定されないが、１．５ｎｍ以上５．５ｎｍ以下であることが好ましい。各下部井戸層１３Ｂの厚さがこの範囲外であると、発光効率が低下する場合がある。
【００６５】
各下部バリア層１３Ａおよび最初の下部バリア層１３Ａ’の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上であることが好ましく、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であればさらに好ましい。各下部バリア層１３Ａの厚さは一定である必要はなく、特に図３に示す最初の下部バリア層１３Ａ’の厚さは各下部バリア層１３Ａの厚さと異なっていてもよい。
【００６６】
一般に、窒化物半導体発光素子では、発光層を構成する井戸層とｎ型窒化物半導体層とで格子定数などが異なることに起因して歪みが発生するが、下部発光層１３はこの歪みに起因する結晶の欠陥を低減する働きがある。
【００６７】
＜上部発光層＞
上部発光層１５は、図３に示すように、上部井戸層１５Ｂと上部バリア層１５Ａとが交互に積層されることにより上部バリア層１５Ａが上部井戸層１５Ｂに挟まれて構成されたものであり、上部井戸層１５Ｂのうち最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する上部井戸層１５Ｂの上には、最後の上部バリア層１５Ａ’が設けられている。上部井戸層１５Ｂのバンドギャップより、上部バリア層１５Ａおよび最後の上部バリア層１５Ａ’のバンドギャップの方が大きい。なお、上部発光層１５は、上部バリア層１５Ａおよび上部井戸層１５Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、上部バリア層１５Ａと、上部井戸層１５Ｂと、が順に積層されていても良い。また、上部発光層１５の一周期（上部バリア層１５Ａの厚さと上部井戸層１５Ｂの厚さの和）の長さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００６８】
本発明は、上部発光層を構成する各上部バリア層１５Ａ（最後の上部バリア層１５Ａ’を含まない）の厚さが下部発光層を構成する各下部バリア層１３Ａの厚さより薄いことを特徴としている。各上部バリア層１５Ａの厚さは各下部バリア層１３Ａの厚さより０．５ｎｍ以上薄いことが好ましく、１ｎｍ以上薄いことがより好ましく、１．５ｎｍ以上薄いことが更に好ましい。先に述べたように、上部バリア層１５Ａの厚さが厚いほうが、上部井戸層１５Ｂにおける結晶欠陥を修復する結晶回復層としての効果が高い。しかし、上部バリア層が厚いと、上部発光層１５において注入キャリアである電子およびホールの移動が妨げられ、そのため電子とホールとの再結合による発光が妨げられる傾向にあると考えられる。
【００６９】
最後の上部バリア層１５Ａ’の厚さは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましい。
各上部井戸層１５Ｂの厚さは、限定されないが、各下部井戸層１３Ｂの厚さと同じであることがさらに好ましい。下部井戸層１３Ｂの厚さと上部井戸層１５Ｂの厚さが同じであれば、各井戸層における電子とホールとの再結合により各井戸層において同じ波長で発光し、よって、窒化物半導体発光素子１の発光スペクトル幅が狭くなるため好都合である。一方、意図的に上部井戸層１５Ｂの厚さを下部井戸層１３Ｂの厚さとは異ならせる、あるいは上部井戸層１５Ｂを構成する各井戸層の厚さを互いに異ならせることにより、窒化物半導体発光素子１の発光スペクトル幅をブロードにすることもできる。
【００７０】
各上部井戸層１５Ｂの厚さは、１ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。各上部井戸層１５Ｂの厚さがこの範囲外であれば、発光効率が低下する傾向にある。
【００７１】
各上部バリア層１５Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、８×１０17ｃｍ-3以下であれば良い。上部バリア層１５Ａにおけるｎ型ドーピング濃度が８×１０17ｃｍ-3を超えると、発光素子に電圧を印加したときに、ホールが上部発光層１５へ注入され難くなり、よって、発光効率の低下を招くことがある。各上部バリア層１５Ａおよび最後の上部バリア層１５Ａ’には、ｐ型ドーパントが含まれることがある。
【００７２】
各上部井戸層１５Ｂの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されるが、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎcＧａ(1-c)Ｎ（０＜ｃ≦１）層である。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。また、各下部井戸層１３Ｂはドーパントを極力含まない（成長時にドーパント原料を導入しない）ことが好ましい。各上部井戸層１５Ｂがｎ型ドーパントを含んでいなければ、各上部井戸層１５Ｂにおける非発光再結合が起こりにくく、発光効率が良好となる。なお、各上部井戸層１５Ｂは、ｎ型ドーパントを含んでいても良く、それにより発光素子の駆動電圧が低下する傾向にある。
【００７３】
＜ｐ型窒化物半導体層＞
図１に示した構成では、ｐ型窒化物半導体層をｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７、および高濃度ｐ型ＧａＮ層１８の３層構造としているが、この構成は一例であって、一般にｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８は、たとえばＡｌs4Ｇａt4Ｉｎu4Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層にｐ型ドーパントがドーピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌs4Ｇａ1-s4Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型ドーパントをドーピングした層である。
【００７４】
ｐ型ドーパントは、特に限定されないが、たとえばマグネシウムである。
ｐ型窒化物半導体層１７，１８におけるキャリア濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上であることが好ましい。ここで、ｐ型ドーパントの活性率は０．０１程度であることから、ｐ型窒化物半導体層１７，１８におけるｐ型ドーピング濃度（キャリア濃度とは異なる）は１×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。ただし上部発光層１５に近いｐ型窒化物半導体層１６におけるｐ型ドーピング濃度はこれより低くてもよい。
【００７５】
ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８の合計の厚さは、特に限定されないが、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であれば良い。
【００７６】
＜ｎ側電極、透明電極、ｐ側電極＞
ｎ側電極２１およびｐ側電極２５は、窒化物半導体発光素子１に駆動電力を供給するための電極である。ｎ側電極２１およびｐ側電極２５は平面図である図２ではパッド電極部分のみで構成されているが、電流拡散を目的とする細長い突出部（枝電極）が接続されていてもよい。また、ｐ側電極２５の下部において電流の注入を止めるための絶縁層を設けても良く、それによりｐ側電極２５に遮蔽される発光の量が減少する。ｎ側電極２１は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると１μｍ程度の厚さを有していれば良い。ｐ側電極２５は、たとえばニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、１μｍ程度の厚さを有していれば良い。ｎ側電極２１とｐ側電極２５は同一の組成であってもよい。透明電極２３は、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜からなれば良く、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有していれば良い。
【００７７】
以上のように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、上部発光層１５における上部バリア層１５Ａの厚さが下部発光層１３における下部バリア層１３Ａの厚さより薄い。そのため、（ｉ）上部発光層１５の上部井戸層１５Ｂにおけるピエゾ電界が低減し、それに伴い発光再結合確率が増加するという効果、および（ｉｉ）ｐ側から注入されるホールの各上部井戸層１５Ｂへの拡散が向上し、注入ホール密度を低くすることができ、オージェ再結合の発生を抑えることができるという効果が得られ、よって、発光効率の低下を防止できる。
【００７８】
この効果は、上部発光層１５における上部バリア層１５Ａの厚さが下部発光層１３における下部バリア層１３Ａの厚さよりも０．５ｎｍ以上薄いことにより顕著となる。
【００７９】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、好ましくは、下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度が上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高い。そのため、下部発光層１３における直列抵抗成分の低下を図ることができ、窒化物半導体発光素子１を大電流で駆動させても動作電圧の上昇を防止できる。
【００８０】
このように、本実施形態では、大電流駆動時における動作電圧の上昇および発光効率の低下を防止できるので、大電流駆動時における電力効率の悪化を防止できる。
【００８１】
なお、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、下部バリア層１３Ａの厚さは、直下の層（着目している下部バリア層１３Ａに対して１層の下部井戸層１３Ｂを挟んでｎ型窒化物半導体１６側に位置する下部バリア層１３Ａ）の厚さと同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて薄くなることが好ましい。これにより、上述の効果（つまり、大電流駆動時における動作電圧の上昇および発光効率の低下を防止できるので、大電流駆動時における電力効率の悪化を防止できるという効果）がさらに顕著となる。同様の理由から、上部バリア層１５Ａの厚さは、直下の層（着目している上部バリア層１５Ａに対して１層の上部井戸層１５Ｂを挟んでｎ型窒化物半導体１６側に位置する上部バリア層１５Ａ）の厚さと同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて薄くなることが好ましい。
【００８２】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、下部バリア層１３Ａの平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて低くなることが好ましい。これにより、下部発光層１３における直列抵抗成分の低下を図ることができるという効果が顕著となる。同様の理由から、上部バリア層１５Ａの平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて低くなることが好ましい。
【００８３】
ここで、キャリア濃度は、電子または正孔の濃度を意味し、ｎ型ドーパントの量またはｐ型ドーパントの量だけで決まらない。つまり、下部発光層１３のキャリア濃度は下部発光層１３にドープされたｎ型ドーパントの量だけで決まらず、上部発光層１５のキャリア濃度は上部発光層１５にドープされたｎ型ドーパントの量だけで決まらない。このようなキャリア濃度は、窒化物半導体発光素子１の電圧対容量特性の結果に基づいて算出されるものであり、電流が注入されていない状態のキャリア濃度のことを指しており、イオン化した不純物、ドナー化した結晶欠陥、またはアクセプター化した結晶欠陥から発生したキャリアの合計である。
【００８４】
しかしながら、ｎ型キャリア濃度は、ｎ型ドーパントであるＳｉ等の活性化率が高いことから、ｎ型ドーピング濃度と同じと考えることができる。また、ｎ型ドーピング濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）にて深さ方向の濃度分布を測定することにより、容易に求まる。さらに、ドーピング濃度の相対関係（比率）は、キャリア濃度の相対関係（比率）とほぼ同じである。これらのことから、本発明の特許請求の範囲では、実際に測定の容易なドーピング濃度で定義している。そして、測定により得られたｎ型ドーピング濃度を平均すれば、平均ｎ型ドーピング濃度を得ることができる。
【実施例】
【００８５】
以下では、本発明の具体的な実施例を示す。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。
【００８６】
＜実施例１＞
まず、凹凸加工が上面に施された１００ｍｍ径のサファイア基板３からなるウエハを準備し、その上面上に、ＡｌＮからなるバッファ層５をスパッタ法により形成した。
【００８７】
次に、ウエハを第１のＭＯＣＶＤ装置に入れ、ＭＯＣＶＤ法により、原料ガスとしてＴＭＧ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ）とＮＨ3とを用いてアンドープＧａＮからなる下地層７を結晶成長させ、引き続きドーパント用ガスとしてＳｉＨ4を加えてｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層９を結晶成長させた。このとき、下地層７の厚さは４μｍ、ｎ型窒化物半導体層９の厚さは３μｍであり、ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーピング濃度は６×１０18ｃｍ-3であった。
【００８８】
第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハを、第２のＭＯＣＶＤ装置に入れ、ウエハの温度を１０５０℃に設定して、ｎ型窒化物半導体層１０を結晶成長させた。ｎ型窒化物半導体層１０はｎ型ＧａＮからなり、厚さは１．５μｍである。引き続きウエハの温度を８８０℃に設定して、超格子層１１を結晶成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層１１ＡとＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層１１Ｂとを交互に２０周期、結晶成長させた。
【００８９】
ここで、ワイドバンドギャップ層１１Ａ用の原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4とを用いた。各ワイドバンドギャップ層１１Ａの厚さは１．７５ｎｍであり、各ワイドバンドギャップ層１１Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は３×１０18ｃｍ-3であった。
【００９０】
ナローバンドギャップ層１１Ｂは、原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｉｎｄｉｕｍ）とＮＨ3とＳｉＨ4とを用いて、結晶成長させた。各ナローバンドギャップ層１１Ｂの厚さは１．７５ｎｍであった。また、井戸層がフォトルミネッセンスにより発する光の波長が３７５ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整したため、各ナローバンドギャップ層の組成はＩｎyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．１０）であった。超格子層１１の平均ｎ型ドーピング濃度は約３×１０18ｃｍ-3となった。
【００９１】
次に、ウエハの温度を８５５℃に下げて下部発光層１３を結晶成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなる下部バリア層１３ＡとアンドープＩｎＧａＮからなる下部井戸層１３Ｂとを交互に３周期、結晶成長させた。
【００９２】
下部バリア層１３Ａは、原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4とを用いて結晶成長させた。各下部バリア層１３Ａの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各下部バリア層１３Ａの厚さは６．５ｎｍであり、各下部バリア層１３Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は３．４×１０17ｃｍ-3であった。
【００９３】
下部井戸層１３Ｂは、原料ガスとしてＴＭＩガスとＮＨ3ガスとを用い、キャリアガスとして窒素ガスを用いて、アンドープＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．１３）を結晶成長させた。各下部井戸層１３Ｂの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各下部井戸層１３Ｂの厚さは３．９ｎｍであった。また、Ｉｎの組成ｘは、下部井戸層１３Ｂがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４８ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して設定した。下部バリア層１３Ａと下部井戸層１３Ｂとを含む下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度は約２．６×１０17ｃｍ-3となった。
【００９４】
次に、ウエハの温度を８５０℃に下げて上部発光層１５を結晶成長させた。具体的には、アンドープＧａＮからなる上部バリア層１５ＡとアンドープＩｎＧａＮからなる上部井戸層１５Ｂとを交互に３周期、結晶成長させた。
【００９５】
上部バリア層１５Ａは、原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4とを用いて結晶成長させた。各上部バリア層１５Ａの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各上部バリア層１５Ａの厚さを４ｎｍとし、各下部バリア層１３Ａの厚さより薄くした。各上部バリア層１５Ａはアンドープとした。
【００９６】
上部井戸層１５Ｂは、原料ガスとしてＴＭＩガスとＮＨ3ガスとを用い、キャリアガスとして窒素ガスを用いて、アンドープＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．１３）を結晶成長させた。各上部井戸層１５Ｂの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各上部井戸層１５Ｂの厚さを３．９ｎｍとし、各下部井戸層１３Ｂの厚さと設計上同じ厚さとした。また、Ｉｎの組成ｘは、上部井戸層１５Ｂがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４８ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して設定した。上部バリア層１５Ａと上部井戸層１５Ｂを含む上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度は約７×１０16ｃｍ-3となった。
【００９７】
次に、最上層の上部井戸層１５Ｂの上に、アンドープのＧａＮ層からなる最後の上部バリア層１５Ａ’を１０ｎｍ成長した。
【００９８】
次に、ウエハの温度を上げて、最上バリア層の上面上に、ｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８を結晶成長させた。
【００９９】
そして、ｎ型窒化物半導体層９の一部分が露出するように、ｐ型コンタクト層１８、ｐ型ＧａＮ層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、上部発光層１５、下部発光層１３、超格子層１１、ｎ型窒化物半導体層１０の一部をエッチングした。このエッチングにより露出したｎ型窒化物半導体層１０の上面上にＡｕからなるｎ側電極２１を形成した。また、ｐ型コンタクト層１８の上面上に、ＩＴＯからなる透明電極２３とＡｕからなるｐ側電極２５とを順に形成した。また、主として透明電極２３及び上記エッチングによって露出した各層の側面を覆うように、ＳｉＯ2からなる透明保護膜２７を形成した。
【０１００】
ウエハを２８０×５５０μｍサイズのチップに分割して、実施例１に係る窒化物半導体発光素子が得られた。
【０１０１】
得られた窒化物半導体発光素子を、ＴＯ−１８型ステムにマウントし、樹脂封止を行なわずに光出力を測定したところ、駆動電流３０ｍＡ、駆動電圧２．９Ｖで光出力４５ｍＷ（ドミナント波長４５１ｎｍ）が得られた。
【０１０２】
このようにして高い発光効率が得られた窒化物半導体発光素子は、従来の窒化物半導体発光素子に比べ、井戸層中のピエゾ電界が小さいことが確認できた。ピエゾ電界が小さくなったことは、各種方法で、間接的に観測可能である。その方法の一つは、フォトルミネッセンスの発光ピーク波長λPLと電流注入時の発光ピーク波長λELとの差を比べるものであり、その差が小さくなるとピエゾ電界が小さくなったと判断できる。図４（図４には、本実施例におけるλELと（λPL−λEL）との関係を示す）に示すように、本実施例に係る発光素子においてはλPL−λELが−０．４〜＋０．１ｎｍ程度であり、他の設計（バリア層厚がすべて６．５ｎｍ、図４に示す「従来構造」）の場合にはλPL−λELが２．１〜２．９ｎｍであった。このように、本実施例に係る発光素子においては、上記他の設計に比べて、λPL−λELが大幅に減少している。また、電流密度を３桁程度変化させた時における発光波長の変化量が減少したことからも、ピエゾ電界が小さくなったと判断している。
【０１０３】
＜実施例２＞
実施例２においては、ウエハ径（基板３の直径）を１５０ｍｍとして、実施例１に用いたものとは別のＭＯＣＶＤ装置を用い、下部発光層１３における下部井戸層１３Ｂの厚さを３．２５ｎｍとし、下部バリア層１３Ａの厚さを６．２５ｎｍとした。また、上部発光層１５における上部井戸層１５Ｂの厚さを３．２５ｎｍとし、上部バリア層１５Ａの厚さを４ｎｍとした。
【０１０４】
実施例１とはＭＯＣＶＤ装置が異なるため直接の比較はできないが、本実施例においても駆動電流３０ｍＡで４５ｍＷの光出力が得られ、従来構造（下部発光層１３と上部発光層１５とにおいてバリア層厚を同じにしたもの）に比べて約１．５ｍＷの光出力の向上が図れた。
【０１０５】
＜実施例３＞
実施例３においては、下部発光層１３及び上部発光層１５の層数を増加させたことを除いては上記実施例１と同様である。以下では、上記実施例１とは異なる点について示す。
【０１０６】
下部発光層１３における下部井戸層１３Ｂの層数は６である。下部井戸層１３Ｂ及び下部バリア層１３Ａへのｎ型ドーピングは、その有無も含めて実施例１と同様に行なった。
【０１０７】
上部発光層１５における上部井戸層１５Ｂの層数は３である。
得られた結果は、ばらつきの範囲内で実施例１とほぼ同等であった。
【０１０８】
＜実施例４＞
実施例４においては、下部発光層１３及び上部発光層１５の層数を増加させたことを除いては上記実施例１と同様である。以下では、上記実施例１とは異なる点について示す。
【０１０９】
下部発光層１３における下部井戸層１３Ｂの層数は４である。下部井戸層１３Ｂ及び下部バリア層１３Ａへのｎ型ドーピングは、その有無も含めて実施例１と同様に行なった。
【０１１０】
上部発光層１５における上部井戸層１５Ｂの層数は５である。
得られた結果は、駆動電流３０ｍＡで駆動電圧が実施例１よりも０．０５Ｖ高く２．９５Ｖとなった。
【０１１１】
＜実施例５＞
実施例５においては、実施例１をベースに、上部バリア層１５Ａ（上部井戸層１５Ｂに挟まれた層）にもｎ型ドーピングを行なっている。ｎ型ドーピング濃度が３．４×１０17ｃｍ-3となるように上部バリア層１５Ａにドーピングを行なった。
【０１１２】
得られた結果は、駆動電流３０ｍＡで駆動電圧が実施例１よりも０．０３Ｖ低く２．８７Ｖとなったが、大電流での発光効率が低下していることから、駆動電流が３０ｍＡ以下の低電流駆動用として適している。
【０１１３】
＜実施例６＞
実施例４をベースに、下部バリア層１３Ａ及び上部バリア層１５Ａの層厚を徐々に変化させた。ただし下部井戸層の層数と上部井戸層の層数との和は９である。下部発光層１３と上部発光層１５との区別をせずにバリア層の層厚を下の層（基板３側）から記載した結果を表１に示す。
【０１１４】
【表１】
【０１１５】
下部発光層１３と上部発光層１５との境界をどう判断するかが問題となる。バリア層１の層厚とバリア層８の層厚との平均は５．２５ｎｍであるため、この値を下部発光層１３と上部発光層１５との境界とし、バリア層１からバリア層４までは下部バリア層１３Ａとし、バリア層５からバリア層８までは上部バリア層１５Ａとする。ただし本実施例におけるこの区分は便宜上のものであり、機能の点から見ると下部発光層１３の機能と上部発光層１５の機能の割合が下の層では下部発光層１３の割合が多く、上の層では上部発光層１５の割合が多くなるよう、少しづつ変化している。
【０１１６】
最初のバリア層０からバリア層４までの下部バリア層１３Ａ及びその下部バリア層１３Ａの間の下部井戸層１３Ｂに、ｎ型ドーピング濃度が３．４×１０17ｃｍ-3となるようにドーピングを行なった。
【０１１７】
＜実施例７＞
実施例６をベースに、ｎ型ドーピング濃度についても徐々に変化させた。ただし下部井戸層の層数と上部井戸層の層数との和は９である。下部発光層１３と上部発光層１５との区別をせずにバリア層の層厚およびｎ型ドーピング濃度を下の層から記載した結果を表２に示す。
【０１１８】
【表２】
【０１１９】
実施例６と同じく、バリア層１の層厚とバリア層８の層厚との平均は５．２５ｎｍであるため、バリア層１からバリア層４までを下部バリア層１３Ａとし、バリア層５からバリア層８までを上部バリア層１５Ａとする。
【０１２０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 窒化物半導体発光素子、３ 基板、３Ａ 凸部、３Ｂ 凹部、５ バッファ層、７ 中間層、９ ｎ型窒化物半導体層、１１ 超格子層、１１Ａ ワイドバンドギャップ層、１１Ｂ ナローバンドギャップ層、１３ 下部発光層、１３Ａ 下部バリア層、１３Ｂ 下部井戸層、１５ 上部発光層、１５Ａ 上部バリア層、１５Ｂ 上部井戸層、１６ ｐ型窒化物半導体層、１７ ｐ型窒化物半導体層、１８ ｐ型窒化物半導体層、２１ ｎ側電極、２３ 透明電極、２５ ｐ側電極、２７ 透明保護膜。
【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】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下「窒化物半導体」と呼ぶ）は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップを有しているため、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子やその領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料として有用である。
【０００３】
また、窒化物半導体は、窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。
【０００４】
さらに、窒化物半導体は、環境を害することがほとんどなく、取り扱いやすい材料としても注目されている。
【０００５】
このような窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子では、発光層として量子井戸構造を採用することが一般的である。電圧が印加されると、発光層中の井戸層において電子とホールとが再結合され、これにより、光が発生する。発光層は、単一量子井戸構造からなっても良いし、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造からなっても良い。
【０００６】
特許文献１には、活性層（本願における発光層に相当）が、アンドープＧａＮバリア層とｎ型不純物（本願におけるドーパントに相当）がドープされたＩｎＧａＮ量子井戸層とが順次積層されてなることが記載されている。また、このアンドープＧａＮバリア層は、上記ＩｎＧａＮ量子井戸層と接する界面に拡散防止膜を具備していることが記載されており、この拡散防止膜はＩｎＧａＮ量子井戸層よりも低濃度のｎ型不純物を含んでいることが記載されている。
【０００７】
特許文献２には、活性層がｎ型不純物を含んでいること、および活性層におけるｎ型不純物濃度はｎ層側の方がｐ層側よりも高いことが記載されており、また、活性層ではｎ型不純物濃度はｎ層側の方がｐ層側よりも高いので、ｎ層側から活性層へのドナーの供給を補うことができ、発光出力の高い窒化物半導体素子が得られることも記載されている。
【０００８】
特許文献３には、量子井戸活性層における井戸層の厚さに対しバリア層の厚さを１３倍以上とすることにより、良好な光出力パワーが得られることが記載されている。
【０００９】
ところで、近年、窒化物半導体発光素子の用途として液晶のバックライトや照明用の電球が検討されており、窒化物半導体発光素子を大電流で駆動する場合が増加している。
【００１０】
特許文献４には、「ＩｎＧａＮ発光層を有する市販のＩＩＩ族窒化物デバイスは、５０Åより薄く、典型的には約１×１０18ｃｍ-3より少なくドープされている複数の量子井戸発光層を有することが多いが、その理由は、これらの量子井戸設計が、特に低駆動電流において、低品質エピタキシャル材料の性能を改善できるからである。照明のために望ましい高駆動電流においては、こうしたデバイスは、電流密度が増加するにつれて効率が低下してしまう。」という背景のもと、活性層厚を５０Åと２５０Åの間とするという従来に比べて厚い単一井戸層を活性層とすることにより、大電流駆動時における特性を向上させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１０９４２５号公報
【特許文献２】特開２００５−０５７３０８号公報
【特許文献３】特開２００７−１５０３１２号公報
【特許文献４】特開２００７−０６７４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の技術にしたがって窒化物半導体発光素子を製造し、製造された窒化物半導体発光素子を大電流で駆動すると、発光効率の低下を招くことがあり、また動作電圧が上がって消費電力が大きくなることがある。これらのことから、単位電力当たりの発光効率（電力効率）の低下を招くことがある。
【００１３】
一般に、窒化物半導体発光素子に印加される電流密度が比較的小さい場合及び大きい場合に発光効率が低下する。電流密度が比較的小さい場合に発光効率が低下する理由は、非発光再結合を引き起こす準位（結晶欠陥など）が発光層に多数存在するからであると考えられている。そのため、従来における窒化物半導体発光素子の発光効率の向上対策は、主として、発光層における結晶欠陥の低減であった。
【００１４】
しかし、窒化物半導体発光素子に印加される電流密度が大きくなると、発光層における結晶欠陥以外の要因による発光効率の低減が生じる。この原因として、オージェ再結合説、ピエゾ電界説、オーバーフロー説などが唱えられている。
【００１５】
オージェ再結合説は、大電流密度における発光効率の低下の原因の１つとして、活性層の注入キャリア密度が高くなることに伴い、オージェ再結合（注入キャリア密度の３乗に比例して再結合確率が増大する非発光再結合）が支配的になるというものである。
【００１６】
ピエゾ電界説は、以下のようなものである。井戸層の組成がＩｎxＧａ1-xＮでありバリア層の組成がＧａＮである場合、両者の格子定数が異なるため、本来ならば断面形状が正方形状である格子が長方形状に伸ばされる、あるいは圧縮される。それに伴い、結晶中、特に井戸層中に「ピエゾ電界」が生じ、その影響により半導体のエネルギーバンド（バレンスバンド、コンダクションバンド）の傾きが生じ、ホールと電子との密度分布が最大となる位置が井戸層の両側に空間的に分離する。そのため、電子とホールとの発光再結合が妨げられる（発光再結合の寿命が長くなる）というものである。
【００１７】
オーバーフロー説は、電子の発光層への注入を多くすると、電子が発光層からあふれでてｐ側の層に達し、そのｐ側の層で非発光再結合により消滅するというものである。
【００１８】
いずれの説であっても、大電流駆動時における発光効率低下を抑制するためには、井戸層における注入キャリア密度を低くする、すなわち井戸層の体積を大きくすることが望ましい。
【００１９】
注入キャリア密度を低くする方法の一つとして、チップサイズを大きくして、発光面積を増大して、単位面積当たりの電流値を下げることにより、実際の単位体積あたりのキャリア濃度を下げるという手法が考えられる。しかし、チップサイズを大きくすると、１枚のウエハから製造できるチップの個数が減少するため、窒化物半導体発光素子の価格の上昇を招く。
【００２０】
注入キャリア密度を低くする別の方法として、多重量子井戸構造における井戸層の層厚を厚くしたり、井戸層の層数を増やすなどの手法が考えられる。しかし、井戸層の層厚を厚くしすぎると、井戸層の結晶品質の低下を招く。また、井戸層の層数を増やしすぎると、窒化物半導体発光素子の動作電圧の上昇を招く。さらに、注入される電子とホールの密度分布が異なると、見かけの井戸層の体積を増加しても、実効的な井戸層の体積はそれに比例して増加しない。
【００２１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光層の結晶品質を低下させず、大電流で駆動しても、動作電圧の上昇が防止され、発光効率が向上し、よって、電力効率が良好な窒化物半導体発光素子を作製することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、下部発光層と、上部発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備える。下部発光層は、複数の下部井戸層と、下部井戸層に挟まれ下部井戸層よりバンドギャップの大きい下部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層は、複数の上部井戸層と、上部井戸層に挟まれ上部井戸層よりバンドギャップの大きい上部バリア層とが交互に積層されたものである。上部発光層における上部バリア層の厚さは、下部発光層における下部バリア層の厚さよりも薄い。
【００２３】
この構成は、上部発光層のバリア層厚が薄い部分を主たる発光層として機能させ、下部発光層のバリア層厚が厚い部分を結晶回復層として機能させるという考えから導かれた。
【００２４】
窒化物半導体発光素子の発光層は、一般にＩｎzＧａ1-zＮ（ｚ＞０）から成る井戸層を含むため、発光層の成長温度は、ＧａＮやＡｌＧａＮなどＩｎを含まない窒化物半導体層の成長温度に比べて低い。また、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で結晶成長させる場合は、キャリアガスの大部分として窒素を使っており、水素は全く使わないか、使ったとしてもごく微量である。このような成長条件から、発光層では、結晶欠陥が発生しやすい。
【００２５】
発光層に結晶欠陥が存在していても、その影響をできるだけ受けずに発光効率を上げるためには、結晶欠陥に注入キャリアが捕獲される前に発光再結合が起こる必要があり、そのためには、井戸層におけるピエゾ電界によるバンドの傾きを小さくする必要がある。しかし、表面がＣ面であるサファイア基板を使って窒化物半導体結晶をｃ軸方向に成長させ、窒化物半導体結晶の多くをＧａＮで形成し、その中に格子定数の異なるＩｎzＧａ1-zＮ（ｚ＞０）井戸層を設けてその井戸層で発光させるという一般的な構造の場合には、井戸層の格子定数が井戸層以外の窒化物半導体層の格子定数とは異なることに伴い、井戸層中にピエゾ電界が必然的に生じる。本発明では、井戸層中のピエゾ電界を小さくするために、発光への寄与が特に大きい上部発光層におけるバリア層を薄くするという着想に至った。
【００２６】
本発明者は、単にバリア層の厚さを薄くするだけでも、バリア層と井戸層との平均組成に対するバリア層の組成の違いが減少し、井戸層中のピエゾ電界を低減できると推定している。また、発光層全体においてバリア層を薄くすると結晶欠陥が増大するため、発光層のうち主に発光しているｐ層側の発光層のバリア層だけを薄くしてピエゾ電界を低減し、ｎ層側の発光層においては、井戸層の成長後に蓄積される結晶欠陥をバリア層で低減する効果を重視してバリア層を厚くした。バリア層は、Ｉｎを含まないか、Ｉｎを含んでいても井戸層よりもＩｎ組成が低いために、バリア層の結晶品質を高めることが井戸層の結晶品質を高めることよりも容易である。よって、ｎ層側の発光層におけるバリア層を厚く成長することで、井戸層で低下した結晶品質が回復するという役割を果たすと推定している。
【００２７】
さらに、結晶品質だけを考えると、下部発光層から井戸層を無くし、バリア層だけにすることが望ましいように考えられるが、実際には、下部発光層にはひずみを緩和する効果があると考えられる。従って、上部発光層のピエゾ電界を低減するためには、下部発光層に井戸層が含まれることが好ましい。
【００２８】
また、上部発光層におけるバリア層を薄くすると、以下の効果もあると推定している。発光層において、ｐ層側から注入されるホールの発光層全体への拡散が十分でないため、ｐ層に近い井戸層の方がホール密度が大きく、ｐ層から離れるについてホール密度が小さくなる。ホールをより下側の井戸層まで拡散させるためには、井戸層の間に設けているバリア層の厚さを薄くし、下の井戸層までの距離を短くすればよいと考えられる。一方、発光層としての働きが少ない下部発光層には、バリア層を薄くしてもホールが届きにくいので、その部分は結晶回復層としての働きを重視してバリア層を厚くする。これにより、上部発光層における結晶品質及び発光効率の向上が図れる。
【００２９】
上部バリア層の厚さは、下部バリア層の厚さより０．５ｎｍ以上薄いことが好ましい。
下部バリア層及び上部バリア層の各層の厚さは、直下の層の厚さと同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて薄くなっていることが好ましい。ここで、「直下の層」とは、着目している下部バリア層に対して下部井戸層１層を挟んでｎ型窒化物半導体側に位置する下部バリア層を意味し、着目している上部バリア層に対して上部井戸層１層を挟んでｎ型窒化物半導体側に位置する上部バリア層を意味する。
【００３０】
下部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度は、上部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度より高いことが好ましい。
【００３１】
下部発光層は、上部発光層に対するｎ型キャリア注入層としても働くため、下部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度を上部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高くすることで、電子の移動が容易になり、その部分の電気抵抗が低減し、駆動電圧を低減できる。
【００３２】
下部バリア層及び上部バリア層の各層の平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて低くなっていることが好ましい。ここで「直下の層」とは上述の通りである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、大電流で駆動しても、動作電圧の上昇が防止され、発光効率の低下が防止され、よって、電力効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層におけるバンドギャップＥｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。
【図４】実施例１の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
なお、以下では、「バリア層」は、井戸層に挟まれた層を指し、井戸層に挟まれていない層は、「最初のバリア層」または「最後のバリア層」という形で井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。本発明においては、井戸層と井戸層との間に形成されたバリア層におけるホールあるいは電子の移動が特に重要だからである。
【００３６】
また、以下の実施の形態では、「下部発光層」および「上部発光層」という表記を用いているが、「下部発光層」とはｎ側窒化物半導体層に近い側の層を指すための便宜上の表現であり、「上部発光層」とはｐ側窒化物半導体層に近い側を指すための便宜上の表現である。例えば図１の上下を反転させても、「下部発光層」および「上部発光層」の表記は変わらない。「上部発光層」の上に基板を設けても良いし、また基板を剥離して基板のない窒化物半導体発光素子としてもよい。
【００３７】
また、以下では「キャリア濃度」という言葉と「ドーピング濃度」という言葉とを用いているが、その関係については後述する。
【００３８】
また、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。さらに、本発明の図面において、長さ、幅、および厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００３９】
図１および図２は、それぞれ、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１の概略断面図および概略平面図である。図２に示すＩ−Ｉ線における断面図が図１に相当する。また、図３は、図１に示された窒化物半導体発光素子１における超格子層１１からｐ型窒化物半導体層１６までにおけるバンドギャップＥｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。図３の縦軸方向は図１に示す層の上下方向であり、図３の横軸のＥｇは各組成におけるバンドギャップの大きさを模式的に表している。また、図３では、ｎ型ドーピングを行なう層には斜線を塗っている。
【００４０】
＜窒化物半導体発光素子＞
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１は、基板３の上面上に、バッファ層５と、下地層７と、ｎ型窒化物半導体層９，１０と、超格子層１１と、下部発光層１３と、上部発光層１５と、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８とがこの順に積層されてメサ部３０（図２参照）が構成されている。メサ部３０の外側においては、ｎ型窒化物半導体層１０の上面の一部分が超格子層１１に覆われずに露出しており、その露出部分の上には、ｎ側電極２１が設けられている。ｐ型窒化物半導体層１８の上には、透明電極２３を介してｐ側電極２５が設けられている。窒化物半導体発光素子１のほぼ上面全体には、ｐ側電極２５およびｎ側電極２１が露出するように、透明保護膜２７が設けられている。
【００４１】
＜基板＞
基板３は、たとえば、サファイアのような絶縁性基板であっても良いし、ＧａＮ、ＳｉＣ、またはＺｎＯなどのような導電性基板であっても良い。基板３の厚さは１２０μｍとしたが、特に限定されず、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下であれば良い。基板３の上面は、平坦であっても良いし、図１に示すように凸部３Ａおよび凹部３Ｂからなる凹凸形状を有していても良い。
【００４２】
＜バッファ層＞
バッファ層５は、たとえばＡｌs0ＧａtoＮ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌＮ層である。ただし、Ｎのごく一部（０．５〜２％）を酸素に置き換えても良い。これにより、基板３の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層５が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層５が得られる。
【００４３】
バッファ層５の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば良く、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００４４】
＜下地層＞
下地層７は、たとえばＡｌs1Ｇａt1Ｉｎu1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌs1Ｇａt1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、ｓ１＋ｔ１≠０）層であり、より好ましくはＧａＮ層である。これにより、バッファ層５中に存在する結晶欠陥（たとえば転位など）がバッファ層５と下地層７との界面付近でループされ易くなり、よって、その結晶欠陥がバッファ層５から下地層７へ引き継がれることを防止できる。
【００４５】
下地層７は、ｎ型不純物を含んでいても良い。しかし、下地層７がｎ型不純物を含んでいなければ、下地層７の良好な結晶性を維持することができる。よって、下地層７はｎ型不純物を含んでいないことが好ましい。
【００４６】
下地層７の厚みを厚くすることにより下地層７中の欠陥は減少するが、下地層７の厚みをある程度以上厚くしても下地層７における欠陥減少効果が飽和する。このことより、下地層７の厚さは、特に限定されないが、１μｍ以上８μｍ以下であれば良い。
【００４７】
＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層９及び１０は、たとえばＡｌs2Ｇａt2Ｉｎu2Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≒１）層にｎ型不純物がドーピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌs2Ｇａ1-s2Ｎ（０≦ｓ２≦１、好ましくは０≦ｓ２≦０．５、より好ましくは０≦ｓ２≦０．１）層にｎ型不純物がドーピングされた層である。
【００４８】
ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであれば良く、好ましくはＳｉである。このことは、後述の各層においても言える。
【００４９】
ｎ型窒化物半導体層９及び１０におけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０17ｃｍ-3以下であれば良い。
【００５０】
ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みが厚い方が、その抵抗が減少する。そのため、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みは厚い方が好ましい。しかし、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みを厚くすると、コストアップになる。そのため、実用的には、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みは薄い方が好ましい。ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚さは、特に限定されないが、実用上１μｍ以上１０μｍ以下であれば良い。
【００５１】
なお、ｎ型窒化物半導体層９及び１０は、後述する実施例１においては同じｎ型ＧａＮ層を一旦中断して２つの成長工程によって形成したものであるが、ｎ型窒化物半導体層９とｎ型窒化物半導体層１０とを連続して単層としても良いし、３層以上の積層構造を有していても良い。各層は、同一の組成からなっても良いし、異なる組成からなっても良い。また、各層は、同一の膜厚を有していても良いし、異なる膜厚を有していても良い。
【００５２】
＜超格子層＞
本明細書における超格子層とは、非常に薄い結晶層を交互に積層することにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる層を意味する。図３に示すように、超格子層１１では、ワイドバンドギャップ層１１Ａとナローバンドギャップ層１１Ｂとが交互に積層されて超格子構造を構成しており、その周期構造がワイドバンドギャップ層１１Ａを構成する半導体材料の基本単位格子およびナローバンドギャップ層１１Ｂを構成する半導体材料の基本単位格子よりも長くなっている。なお、超格子層１１は、ワイドバンドギャップ層１１Ａおよびナローバンドギャップ層１１Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、ワイドバンドギャップ層１１Ａと、ナローバンドギャップ層１１Ｂとが順に積層されて超格子構造を構成していても良い。また、超格子層１１の一周期の長さ（つまり、ワイドバンドギャップ層１１Ａの層厚とナローバンドギャップ層１１Ｂの層厚との合計）は、後述の下部発光層１３の一周期の長さよりも短く、具体的には１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００５３】
各ワイドバンドギャップ層１１Ａは、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。
【００５４】
各ナローバンドギャップ層１１Ｂの組成は、たとえばワイドバンドギャップ層１１Ａよりもバンドギャップが小さく、且つ下記下部井戸層１３Ｂおよび上部井戸層１５Ｂの各バンドギャップより大きいＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａbＩｎ(1-b)Ｎ（０＜ｂ≦１）である。
【００５５】
各ワイドバンドギャップ層１１Ａ及び各ナローバンドギャップ層１１Ｂの少なくとも一方は、ｎ型ドーパントを含んでいることが好ましい。ワイドバンドギャップ層１１Ａとナローバンドギャップ層１１Ｂとの両方がアンドープであると、駆動電圧が上昇するためである。
【００５６】
なお、ワイドバンドギャップ層１１Ａおよびナローバンドギャップ層１１Ｂの各層数は、図３では２０としたが、例えば２から５０であればよい。
【００５７】
超格子層１１は、ｎ型窒化物半導体層９及び１０に存在する貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの結晶欠陥を低減し、下部発光層１３及び上部発光層１５における結晶欠陥を減少させるために設けているが、結晶欠陥が少ない場合や下部発光層１３に超格子層１１の結晶欠陥低減機能を兼ねさせる場合には省略することができる。
【００５８】
＜下部発光層＞
下部発光層１３は、図３に示すように、下部井戸層１３Ｂと下部バリア層１３Ａとが交互に積層されることにより下部バリア層１３Ａが下部井戸層１３Ｂに挟まれて構成されたものであり、最初の下部バリア層１３Ａ’を介して超格子層１１の上に設けられている。下部バリア層１３Ａのバンドギャップは、下部井戸層１３Ｂのバンドギャップより大きい。なお、下部発光層１３は、超格子層１１と同じく、下部バリア層１３Ａおよび下部井戸層１３Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、下部バリア層１３Ａと、下部井戸層１３Ｂと、が順に積層されていても良い。また、下部発光層１３の一周期の長さ（下部バリア層１３Ａと下部井戸層１３Ｂの合計の厚さ）は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００５９】
各下部井戸層１３Ｂの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されるが、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎcＧａ(1-c)Ｎ（０＜ｃ≦１）層である。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。
【００６０】
各下部バリア層１３Ａおよび最初の下部バリア層１３Ａ’は、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）層であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。ただし、下部バリア層１３Ａは下部井戸層１３Ｂよりバンドギャップを大きくする必要があるため、適宜Ｉｎ、Ａｌあるいはその両方を導入してバンドギャップを調整する。
【００６１】
下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度は、後述の上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高いことが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子１を大電流で駆動しても、その駆動電圧の上昇が抑えられるため、電力効率の低下を防止できる。ただし、他の手法により駆動電圧の上昇を抑えることができれば、下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度が上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも低い方が発光効率が向上するため好ましいと考えられる。
【００６２】
駆動電圧の上昇を抑えるという観点からは、各下部井戸層１３Ｂと各下部バリア層１３Ａおよび最初の下部バリア層１３Ａ’の少なくとも一方のバリア層とはｎ型ドーパントを含むことが好ましい。また、各下部バリア層１３Ａのｎ型ドーピング濃度が各下部井戸層１３Ｂのｎ型ドーピング濃度より高いことがより好ましい。
【００６３】
各下部井戸層１３Ｂ及び各下部バリア層１３Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０17ｃｍ-3以上であれば良く、好ましくは３×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下である。下部発光層１３の平均キャリア濃度（ドーパントがＳｉの場合ほぼｎ型ドーピング濃度に等しい）が１×１０17ｃｍ-3未満であれば、窒化物半導体発光素子１の駆動電圧が上昇する傾向にある。
【００６４】
各下部井戸層１３Ｂの厚さは、特に限定されないが、１．５ｎｍ以上５．５ｎｍ以下であることが好ましい。各下部井戸層１３Ｂの厚さがこの範囲外であると、発光効率が低下する場合がある。
【００６５】
各下部バリア層１３Ａおよび最初の下部バリア層１３Ａ’の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上であることが好ましく、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であればさらに好ましい。各下部バリア層１３Ａの厚さは一定である必要はなく、特に図３に示す最初の下部バリア層１３Ａ’の厚さは各下部バリア層１３Ａの厚さと異なっていてもよい。
【００６６】
一般に、窒化物半導体発光素子では、発光層を構成する井戸層とｎ型窒化物半導体層とで格子定数などが異なることに起因して歪みが発生するが、下部発光層１３はこの歪みに起因する結晶の欠陥を低減する働きがある。
【００６７】
＜上部発光層＞
上部発光層１５は、図３に示すように、上部井戸層１５Ｂと上部バリア層１５Ａとが交互に積層されることにより上部バリア層１５Ａが上部井戸層１５Ｂに挟まれて構成されたものであり、上部井戸層１５Ｂのうち最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する上部井戸層１５Ｂの上には、最後の上部バリア層１５Ａ’が設けられている。上部井戸層１５Ｂのバンドギャップより、上部バリア層１５Ａおよび最後の上部バリア層１５Ａ’のバンドギャップの方が大きい。なお、上部発光層１５は、上部バリア層１５Ａおよび上部井戸層１５Ｂとは異なる１層以上の半導体層と、上部バリア層１５Ａと、上部井戸層１５Ｂと、が順に積層されていても良い。また、上部発光層１５の一周期（上部バリア層１５Ａの厚さと上部井戸層１５Ｂの厚さの和）の長さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００６８】
本発明は、上部発光層を構成する各上部バリア層１５Ａ（最後の上部バリア層１５Ａ’を含まない）の厚さが下部発光層を構成する各下部バリア層１３Ａの厚さより薄いことを特徴としている。各上部バリア層１５Ａの厚さは各下部バリア層１３Ａの厚さより０．５ｎｍ以上薄いことが好ましく、１ｎｍ以上薄いことがより好ましく、１．５ｎｍ以上薄いことが更に好ましい。先に述べたように、上部バリア層１５Ａの厚さが厚いほうが、上部井戸層１５Ｂにおける結晶欠陥を修復する結晶回復層としての効果が高い。しかし、上部バリア層が厚いと、上部発光層１５において注入キャリアである電子およびホールの移動が妨げられ、そのため電子とホールとの再結合による発光が妨げられる傾向にあると考えられる。
【００６９】
最後の上部バリア層１５Ａ’の厚さは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましい。
各上部井戸層１５Ｂの厚さは、限定されないが、各下部井戸層１３Ｂの厚さと同じであることがさらに好ましい。下部井戸層１３Ｂの厚さと上部井戸層１５Ｂの厚さが同じであれば、各井戸層における電子とホールとの再結合により各井戸層において同じ波長で発光し、よって、窒化物半導体発光素子１の発光スペクトル幅が狭くなるため好都合である。一方、意図的に上部井戸層１５Ｂの厚さを下部井戸層１３Ｂの厚さとは異ならせる、あるいは上部井戸層１５Ｂを構成する各井戸層の厚さを互いに異ならせることにより、窒化物半導体発光素子１の発光スペクトル幅をブロードにすることもできる。
【００７０】
各上部井戸層１５Ｂの厚さは、１ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。各上部井戸層１５Ｂの厚さがこの範囲外であれば、発光効率が低下する傾向にある。
【００７１】
各上部バリア層１５Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、８×１０17ｃｍ-3以下であれば良い。上部バリア層１５Ａにおけるｎ型ドーピング濃度が８×１０17ｃｍ-3を超えると、発光素子に電圧を印加したときに、ホールが上部発光層１５へ注入され難くなり、よって、発光効率の低下を招くことがある。各上部バリア層１５Ａおよび最後の上部バリア層１５Ａ’には、ｐ型ドーパントが含まれることがある。
【００７２】
各上部井戸層１５Ｂの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されるが、たとえばＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎcＧａ(1-c)Ｎ（０＜ｃ≦１）層である。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。また、各下部井戸層１３Ｂはドーパントを極力含まない（成長時にドーパント原料を導入しない）ことが好ましい。各上部井戸層１５Ｂがｎ型ドーパントを含んでいなければ、各上部井戸層１５Ｂにおける非発光再結合が起こりにくく、発光効率が良好となる。なお、各上部井戸層１５Ｂは、ｎ型ドーパントを含んでいても良く、それにより発光素子の駆動電圧が低下する傾向にある。
【００７３】
＜ｐ型窒化物半導体層＞
図１に示した構成では、ｐ型窒化物半導体層をｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７、および高濃度ｐ型ＧａＮ層１８の３層構造としているが、この構成は一例であって、一般にｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８は、たとえばＡｌs4Ｇａt4Ｉｎu4Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層にｐ型ドーパントがドーピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌs4Ｇａ1-s4Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型ドーパントをドーピングした層である。
【００７４】
ｐ型ドーパントは、特に限定されないが、たとえばマグネシウムである。
ｐ型窒化物半導体層１７，１８におけるキャリア濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上であることが好ましい。ここで、ｐ型ドーパントの活性率は０．０１程度であることから、ｐ型窒化物半導体層１７，１８におけるｐ型ドーピング濃度（キャリア濃度とは異なる）は１×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。ただし上部発光層１５に近いｐ型窒化物半導体層１６におけるｐ型ドーピング濃度はこれより低くてもよい。
【００７５】
ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８の合計の厚さは、特に限定されないが、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であれば良い。
【００７６】
＜ｎ側電極、透明電極、ｐ側電極＞
ｎ側電極２１およびｐ側電極２５は、窒化物半導体発光素子１に駆動電力を供給するための電極である。ｎ側電極２１およびｐ側電極２５は平面図である図２ではパッド電極部分のみで構成されているが、電流拡散を目的とする細長い突出部（枝電極）が接続されていてもよい。また、ｐ側電極２５の下部において電流の注入を止めるための絶縁層を設けても良く、それによりｐ側電極２５に遮蔽される発光の量が減少する。ｎ側電極２１は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると１μｍ程度の厚さを有していれば良い。ｐ側電極２５は、たとえばニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、１μｍ程度の厚さを有していれば良い。ｎ側電極２１とｐ側電極２５は同一の組成であってもよい。透明電極２３は、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜からなれば良く、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有していれば良い。
【００７７】
以上のように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、上部発光層１５における上部バリア層１５Ａの厚さが下部発光層１３における下部バリア層１３Ａの厚さより薄い。そのため、（ｉ）上部発光層１５の上部井戸層１５Ｂにおけるピエゾ電界が低減し、それに伴い発光再結合確率が増加するという効果、および（ｉｉ）ｐ側から注入されるホールの各上部井戸層１５Ｂへの拡散が向上し、注入ホール密度を低くすることができ、オージェ再結合の発生を抑えることができるという効果が得られ、よって、発光効率の低下を防止できる。
【００７８】
この効果は、上部発光層１５における上部バリア層１５Ａの厚さが下部発光層１３における下部バリア層１３Ａの厚さよりも０．５ｎｍ以上薄いことにより顕著となる。
【００７９】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、好ましくは、下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度が上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高い。そのため、下部発光層１３における直列抵抗成分の低下を図ることができ、窒化物半導体発光素子１を大電流で駆動させても動作電圧の上昇を防止できる。
【００８０】
このように、本実施形態では、大電流駆動時における動作電圧の上昇および発光効率の低下を防止できるので、大電流駆動時における電力効率の悪化を防止できる。
【００８１】
なお、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、下部バリア層１３Ａの厚さは、直下の層（着目している下部バリア層１３Ａに対して１層の下部井戸層１３Ｂを挟んでｎ型窒化物半導体１６側に位置する下部バリア層１３Ａ）の厚さと同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて薄くなることが好ましい。これにより、上述の効果（つまり、大電流駆動時における動作電圧の上昇および発光効率の低下を防止できるので、大電流駆動時における電力効率の悪化を防止できるという効果）がさらに顕著となる。同様の理由から、上部バリア層１５Ａの厚さは、直下の層（着目している上部バリア層１５Ａに対して１層の上部井戸層１５Ｂを挟んでｎ型窒化物半導体１６側に位置する上部バリア層１５Ａ）の厚さと同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて薄くなることが好ましい。
【００８２】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、下部バリア層１３Ａの平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて低くなることが好ましい。これにより、下部発光層１３における直列抵抗成分の低下を図ることができるという効果が顕著となる。同様の理由から、上部バリア層１５Ａの平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じである、またはｐ型窒化物半導体層１６側に近づくにつれて低くなることが好ましい。
【００８３】
ここで、キャリア濃度は、電子または正孔の濃度を意味し、ｎ型ドーパントの量またはｐ型ドーパントの量だけで決まらない。つまり、下部発光層１３のキャリア濃度は下部発光層１３にドープされたｎ型ドーパントの量だけで決まらず、上部発光層１５のキャリア濃度は上部発光層１５にドープされたｎ型ドーパントの量だけで決まらない。このようなキャリア濃度は、窒化物半導体発光素子１の電圧対容量特性の結果に基づいて算出されるものであり、電流が注入されていない状態のキャリア濃度のことを指しており、イオン化した不純物、ドナー化した結晶欠陥、またはアクセプター化した結晶欠陥から発生したキャリアの合計である。
【００８４】
しかしながら、ｎ型キャリア濃度は、ｎ型ドーパントであるＳｉ等の活性化率が高いことから、ｎ型ドーピング濃度と同じと考えることができる。また、ｎ型ドーピング濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）にて深さ方向の濃度分布を測定することにより、容易に求まる。さらに、ドーピング濃度の相対関係（比率）は、キャリア濃度の相対関係（比率）とほぼ同じである。これらのことから、本発明の特許請求の範囲では、実際に測定の容易なドーピング濃度で定義している。そして、測定により得られたｎ型ドーピング濃度を平均すれば、平均ｎ型ドーピング濃度を得ることができる。
【実施例】
【００８５】
以下では、本発明の具体的な実施例を示す。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。
【００８６】
＜実施例１＞
まず、凹凸加工が上面に施された１００ｍｍ径のサファイア基板３からなるウエハを準備し、その上面上に、ＡｌＮからなるバッファ層５をスパッタ法により形成した。
【００８７】
次に、ウエハを第１のＭＯＣＶＤ装置に入れ、ＭＯＣＶＤ法により、原料ガスとしてＴＭＧ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ）とＮＨ3とを用いてアンドープＧａＮからなる下地層７を結晶成長させ、引き続きドーパント用ガスとしてＳｉＨ4を加えてｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層９を結晶成長させた。このとき、下地層７の厚さは４μｍ、ｎ型窒化物半導体層９の厚さは３μｍであり、ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーピング濃度は６×１０18ｃｍ-3であった。
【００８８】
第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハを、第２のＭＯＣＶＤ装置に入れ、ウエハの温度を１０５０℃に設定して、ｎ型窒化物半導体層１０を結晶成長させた。ｎ型窒化物半導体層１０はｎ型ＧａＮからなり、厚さは１．５μｍである。引き続きウエハの温度を８８０℃に設定して、超格子層１１を結晶成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層１１ＡとＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層１１Ｂとを交互に２０周期、結晶成長させた。
【００８９】
ここで、ワイドバンドギャップ層１１Ａ用の原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4とを用いた。各ワイドバンドギャップ層１１Ａの厚さは１．７５ｎｍであり、各ワイドバンドギャップ層１１Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は３×１０18ｃｍ-3であった。
【００９０】
ナローバンドギャップ層１１Ｂは、原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｉｎｄｉｕｍ）とＮＨ3とＳｉＨ4とを用いて、結晶成長させた。各ナローバンドギャップ層１１Ｂの厚さは１．７５ｎｍであった。また、井戸層がフォトルミネッセンスにより発する光の波長が３７５ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整したため、各ナローバンドギャップ層の組成はＩｎyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．１０）であった。超格子層１１の平均ｎ型ドーピング濃度は約３×１０18ｃｍ-3となった。
【００９１】
次に、ウエハの温度を８５５℃に下げて下部発光層１３を結晶成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなる下部バリア層１３ＡとアンドープＩｎＧａＮからなる下部井戸層１３Ｂとを交互に３周期、結晶成長させた。
【００９２】
下部バリア層１３Ａは、原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4とを用いて結晶成長させた。各下部バリア層１３Ａの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各下部バリア層１３Ａの厚さは６．５ｎｍであり、各下部バリア層１３Ａにおけるｎ型ドーピング濃度は３．４×１０17ｃｍ-3であった。
【００９３】
下部井戸層１３Ｂは、原料ガスとしてＴＭＩガスとＮＨ3ガスとを用い、キャリアガスとして窒素ガスを用いて、アンドープＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．１３）を結晶成長させた。各下部井戸層１３Ｂの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各下部井戸層１３Ｂの厚さは３．９ｎｍであった。また、Ｉｎの組成ｘは、下部井戸層１３Ｂがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４８ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して設定した。下部バリア層１３Ａと下部井戸層１３Ｂとを含む下部発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度は約２．６×１０17ｃｍ-3となった。
【００９４】
次に、ウエハの温度を８５０℃に下げて上部発光層１５を結晶成長させた。具体的には、アンドープＧａＮからなる上部バリア層１５ＡとアンドープＩｎＧａＮからなる上部井戸層１５Ｂとを交互に３周期、結晶成長させた。
【００９５】
上部バリア層１５Ａは、原料ガスとしてＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4とを用いて結晶成長させた。各上部バリア層１５Ａの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各上部バリア層１５Ａの厚さを４ｎｍとし、各下部バリア層１３Ａの厚さより薄くした。各上部バリア層１５Ａはアンドープとした。
【００９６】
上部井戸層１５Ｂは、原料ガスとしてＴＭＩガスとＮＨ3ガスとを用い、キャリアガスとして窒素ガスを用いて、アンドープＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．１３）を結晶成長させた。各上部井戸層１５Ｂの成長速度を１００ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各上部井戸層１５Ｂの厚さを３．９ｎｍとし、各下部井戸層１３Ｂの厚さと設計上同じ厚さとした。また、Ｉｎの組成ｘは、上部井戸層１５Ｂがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４８ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して設定した。上部バリア層１５Ａと上部井戸層１５Ｂを含む上部発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度は約７×１０16ｃｍ-3となった。
【００９７】
次に、最上層の上部井戸層１５Ｂの上に、アンドープのＧａＮ層からなる最後の上部バリア層１５Ａ’を１０ｎｍ成長した。
【００９８】
次に、ウエハの温度を上げて、最上バリア層の上面上に、ｐ型Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８を結晶成長させた。
【００９９】
そして、ｎ型窒化物半導体層９の一部分が露出するように、ｐ型コンタクト層１８、ｐ型ＧａＮ層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、上部発光層１５、下部発光層１３、超格子層１１、ｎ型窒化物半導体層１０の一部をエッチングした。このエッチングにより露出したｎ型窒化物半導体層１０の上面上にＡｕからなるｎ側電極２１を形成した。また、ｐ型コンタクト層１８の上面上に、ＩＴＯからなる透明電極２３とＡｕからなるｐ側電極２５とを順に形成した。また、主として透明電極２３及び上記エッチングによって露出した各層の側面を覆うように、ＳｉＯ2からなる透明保護膜２７を形成した。
【０１００】
ウエハを２８０×５５０μｍサイズのチップに分割して、実施例１に係る窒化物半導体発光素子が得られた。
【０１０１】
得られた窒化物半導体発光素子を、ＴＯ−１８型ステムにマウントし、樹脂封止を行なわずに光出力を測定したところ、駆動電流３０ｍＡ、駆動電圧２．９Ｖで光出力４５ｍＷ（ドミナント波長４５１ｎｍ）が得られた。
【０１０２】
このようにして高い発光効率が得られた窒化物半導体発光素子は、従来の窒化物半導体発光素子に比べ、井戸層中のピエゾ電界が小さいことが確認できた。ピエゾ電界が小さくなったことは、各種方法で、間接的に観測可能である。その方法の一つは、フォトルミネッセンスの発光ピーク波長λPLと電流注入時の発光ピーク波長λELとの差を比べるものであり、その差が小さくなるとピエゾ電界が小さくなったと判断できる。図４（図４には、本実施例におけるλELと（λPL−λEL）との関係を示す）に示すように、本実施例に係る発光素子においてはλPL−λELが−０．４〜＋０．１ｎｍ程度であり、他の設計（バリア層厚がすべて６．５ｎｍ、図４に示す「従来構造」）の場合にはλPL−λELが２．１〜２．９ｎｍであった。このように、本実施例に係る発光素子においては、上記他の設計に比べて、λPL−λELが大幅に減少している。また、電流密度を３桁程度変化させた時における発光波長の変化量が減少したことからも、ピエゾ電界が小さくなったと判断している。
【０１０３】
＜実施例２＞
実施例２においては、ウエハ径（基板３の直径）を１５０ｍｍとして、実施例１に用いたものとは別のＭＯＣＶＤ装置を用い、下部発光層１３における下部井戸層１３Ｂの厚さを３．２５ｎｍとし、下部バリア層１３Ａの厚さを６．２５ｎｍとした。また、上部発光層１５における上部井戸層１５Ｂの厚さを３．２５ｎｍとし、上部バリア層１５Ａの厚さを４ｎｍとした。
【０１０４】
実施例１とはＭＯＣＶＤ装置が異なるため直接の比較はできないが、本実施例においても駆動電流３０ｍＡで４５ｍＷの光出力が得られ、従来構造（下部発光層１３と上部発光層１５とにおいてバリア層厚を同じにしたもの）に比べて約１．５ｍＷの光出力の向上が図れた。
【０１０５】
＜実施例３＞
実施例３においては、下部発光層１３及び上部発光層１５の層数を増加させたことを除いては上記実施例１と同様である。以下では、上記実施例１とは異なる点について示す。
【０１０６】
下部発光層１３における下部井戸層１３Ｂの層数は６である。下部井戸層１３Ｂ及び下部バリア層１３Ａへのｎ型ドーピングは、その有無も含めて実施例１と同様に行なった。
【０１０７】
上部発光層１５における上部井戸層１５Ｂの層数は３である。
得られた結果は、ばらつきの範囲内で実施例１とほぼ同等であった。
【０１０８】
＜実施例４＞
実施例４においては、下部発光層１３及び上部発光層１５の層数を増加させたことを除いては上記実施例１と同様である。以下では、上記実施例１とは異なる点について示す。
【０１０９】
下部発光層１３における下部井戸層１３Ｂの層数は４である。下部井戸層１３Ｂ及び下部バリア層１３Ａへのｎ型ドーピングは、その有無も含めて実施例１と同様に行なった。
【０１１０】
上部発光層１５における上部井戸層１５Ｂの層数は５である。
得られた結果は、駆動電流３０ｍＡで駆動電圧が実施例１よりも０．０５Ｖ高く２．９５Ｖとなった。
【０１１１】
＜実施例５＞
実施例５においては、実施例１をベースに、上部バリア層１５Ａ（上部井戸層１５Ｂに挟まれた層）にもｎ型ドーピングを行なっている。ｎ型ドーピング濃度が３．４×１０17ｃｍ-3となるように上部バリア層１５Ａにドーピングを行なった。
【０１１２】
得られた結果は、駆動電流３０ｍＡで駆動電圧が実施例１よりも０．０３Ｖ低く２．８７Ｖとなったが、大電流での発光効率が低下していることから、駆動電流が３０ｍＡ以下の低電流駆動用として適している。
【０１１３】
＜実施例６＞
実施例４をベースに、下部バリア層１３Ａ及び上部バリア層１５Ａの層厚を徐々に変化させた。ただし下部井戸層の層数と上部井戸層の層数との和は９である。下部発光層１３と上部発光層１５との区別をせずにバリア層の層厚を下の層（基板３側）から記載した結果を表１に示す。
【０１１４】
【表１】
【０１１５】
下部発光層１３と上部発光層１５との境界をどう判断するかが問題となる。バリア層１の層厚とバリア層８の層厚との平均は５．２５ｎｍであるため、この値を下部発光層１３と上部発光層１５との境界とし、バリア層１からバリア層４までは下部バリア層１３Ａとし、バリア層５からバリア層８までは上部バリア層１５Ａとする。ただし本実施例におけるこの区分は便宜上のものであり、機能の点から見ると下部発光層１３の機能と上部発光層１５の機能の割合が下の層では下部発光層１３の割合が多く、上の層では上部発光層１５の割合が多くなるよう、少しづつ変化している。
【０１１６】
最初のバリア層０からバリア層４までの下部バリア層１３Ａ及びその下部バリア層１３Ａの間の下部井戸層１３Ｂに、ｎ型ドーピング濃度が３．４×１０17ｃｍ-3となるようにドーピングを行なった。
【０１１７】
＜実施例７＞
実施例６をベースに、ｎ型ドーピング濃度についても徐々に変化させた。ただし下部井戸層の層数と上部井戸層の層数との和は９である。下部発光層１３と上部発光層１５との区別をせずにバリア層の層厚およびｎ型ドーピング濃度を下の層から記載した結果を表２に示す。
【０１１８】
【表２】
【０１１９】
実施例６と同じく、バリア層１の層厚とバリア層８の層厚との平均は５．２５ｎｍであるため、バリア層１からバリア層４までを下部バリア層１３Ａとし、バリア層５からバリア層８までを上部バリア層１５Ａとする。
【０１２０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 窒化物半導体発光素子、３ 基板、３Ａ 凸部、３Ｂ 凹部、５ バッファ層、７ 中間層、９ ｎ型窒化物半導体層、１１ 超格子層、１１Ａ ワイドバンドギャップ層、１１Ｂ ナローバンドギャップ層、１３ 下部発光層、１３Ａ 下部バリア層、１３Ｂ 下部井戸層、１５ 上部発光層、１５Ａ 上部バリア層、１５Ｂ 上部井戸層、１６ ｐ型窒化物半導体層、１７ ｐ型窒化物半導体層、１８ ｐ型窒化物半導体層、２１ ｎ側電極、２３ 透明電極、２５ ｐ側電極、２７ 透明保護膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、下部発光層と、上部発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備える窒化物半導体発光素子であって、
前記下部発光層は、複数の下部井戸層と該下部井戸層に挟まれ該下部井戸層よりバンドギャップの大きい下部バリア層とが交互に積層されたものであり、
前記上部発光層は、複数の上部井戸層と該上部井戸層に挟まれ該上部井戸層よりバンドギャップの大きい上部バリア層とが交互に積層されたものであり、
前記上部発光層における前記上部バリア層の厚さは、前記下部発光層における前記下部バリア層の厚さよりも薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記上部バリア層の厚さは、前記下部バリア層の厚さより０．５ｎｍ以上薄い、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記下部バリア層及び前記上部バリア層の各層の厚さは、直下の層の厚さと同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて薄くなっている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記下部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度は、前記上部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度より高い、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記下部バリア層及び前記上部バリア層の各層の平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて低くなっている、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、下部発光層と、上部発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備える窒化物半導体発光素子であって、
前記下部発光層は、複数の下部井戸層と該下部井戸層に挟まれ該下部井戸層よりバンドギャップの大きい下部バリア層とが交互に積層されたものであり、
前記上部発光層は、複数の上部井戸層と該上部井戸層に挟まれ該上部井戸層よりバンドギャップの大きい上部バリア層とが交互に積層されたものであり、
前記上部発光層における前記上部バリア層の厚さは、前記下部発光層における前記下部バリア層の厚さよりも薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記上部バリア層の厚さは、前記下部バリア層の厚さより０．５ｎｍ以上薄い、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記下部バリア層及び前記上部バリア層の各層の厚さは、直下の層の厚さと同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて薄くなっている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記下部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度は、前記上部発光層の平均ｎ型ドーピング濃度より高い、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記下部バリア層及び前記上部バリア層の各層の平均ｎ型ドーピング濃度は、直下の層の平均ｎ型ドーピング濃度と同じ、またはｐ型窒化物半導体層側に近づくにつれて低くなっている、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１２６８４（Ｐ２０１３−１２６８４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５９０６（Ｐ２０１１−１４５９０６）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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