ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子
【課題】発光スペクトルの幅が広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現すること。
【解決手段】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上にｎコンタクト層１１、ホールブロック層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層されている。ホールブロック層１２は、厚さ１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなる。発光層１３は、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３０と、ＧａＮからなる障壁層１３１とを１ペアとして、４ペア繰り返し積層したＭＱＷ構造である。井戸層１３０は、ｎコンタクト層１１に近い側から順に井戸層１３０−１、１３０−２、１３０−３、１３０−４として、井戸層１３０−ｉ（１≦ｉ≦４）のＩｎ組成比をｘｉ（単位は％、以下も同様）とすれば、ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞ｘ４となるよう井戸層１３０−１〜１３０−４は構成されている。
【解決手段】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上にｎコンタクト層１１、ホールブロック層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層されている。ホールブロック層１２は、厚さ１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなる。発光層１３は、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３０と、ＧａＮからなる障壁層１３１とを１ペアとして、４ペア繰り返し積層したＭＱＷ構造である。井戸層１３０は、ｎコンタクト層１１に近い側から順に井戸層１３０−１、１３０−２、１３０−３、１３０−４として、井戸層１３０−ｉ（１≦ｉ≦４）のＩｎ組成比をｘｉ（単位は％、以下も同様）とすれば、ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞ｘ４となるよう井戸層１３０−１〜１３０−４は構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光スペクトルの幅が広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
２０１１年現在、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光パッケージが一般照明用のＬＥＤ電球などとして利用され、白熱電球に比べて発光効率が高く長寿命であることなどから急速に普及し始めている。
【０００３】
この白色発光パッケージにおいて、蛍光体の励起効率を安定させるためには、青色ＬＥＤの発光スペクトルが広いことが望まれる。
【０００４】
発光スペクトルの広いIII 族窒化物半導体発光素子として、たとえば特許文献１、２がある。特許文献１には、III 族窒化物半導体層の上面に傾斜角度の異なる複数の傾斜面を設け、その傾斜面に沿って発光層を形成することが示されている。傾斜面の角度が異なると、その上に位置する発光層の領域の発光波長が異なる。その結果、III 族窒化物半導体発光素子は複数の発光波長で発光することとなり、発光スペクトルが広がる。
【０００５】
また、特許文献２には、ＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層の各井戸層のバンドギャップがｎ型層側に向かうにつれて小さくなっていくように構成することが示されている。このような構成の発光層とすれば、各井戸層へキャリア分布が広がり、各井戸層での発光波長が異なるため、発光スペクトルを広くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１８２８３２
【特許文献２】特開２００４−１２８４４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１では、III 族窒化物半導体層上面に傾斜角度の異なる傾斜面を設ける必要があるが、このような構造となるよう結晶成長させたり加工したりすることは技術的に難易度が高く、高コストであり、実用的な方法ではない。
【０００８】
また、特許文献２の方法では、キャリアの分布が広がることでホールのｎ型層側へのオーバーフローが発生してしまい、発光層へのキャリア注入効率が低下して発光効率が低下してしまう。
【０００９】
そこで本発明の目的は、発光スペクトルが広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上部に位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、ｎコンタクト層と発光層との間に、厚さ５〜１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層を有し、各井戸層のＩｎ組成比は、ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１１】
第５の発明は、ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上に接して位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、各井戸層のＩｎ組成比は、ｎコンタクト層に最も近い１番目の井戸層から、ｎコンタクト層に３〜１０番目に近い井戸層までの各井戸層についてはＩｎ組成比が一定の所定値であり、それ以降の各井戸層については、Ｉｎ組成比が所定値よりも小さく、かつ、ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１２】
第１、５の発明において、発光層の構造は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層が複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造であれば従来知られている任意の構造でよい。たとえば、井戸層と障壁層との間に、井戸層と同一温度で成長させるＧａＮまたはＡｌＧａＮからなるキャップ層を設けてもよい。キャップ層を設けることにより、障壁層形成時の昇温において井戸層からのＩｎの蒸発を抑制することができる。
【００１３】
発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、第１、５の発明において４〜２０回とすることが望ましい。繰り返し回数がこの範囲であれば、発光効率をより効果的に向上させることができる。
【００１４】
第１の発明において、ホールブロック層のＡｌ組成比は、１０〜３０％とすることが望ましい。より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。より望ましいホールブロック層のＡｌ組成比は２０〜３０％である。また、ホールブロック層は、Ｓｉ濃度が５×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 となる程度にＳｉがドープされていることが望ましい。この範囲でＳｉがドープされていると、素子の抵抗を低減することができ、駆動電圧の低下を図ることができる。また、ホールブロック層は、厚さ５〜５０Åとすることがより望ましい。厚さをこの範囲とすれば、より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。
【００１５】
第５の発明において、Ｉｎ組成比を一定とする井戸層は、ｎコンタクト層に最も近い１番目の井戸層から、ｎコンタクト層に３〜８番目に近い井戸層までとすることがより望ましい。より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。さらに望ましくはｎコンタクト層に３〜５番目に近い井戸層までである。
【００１６】
第１、５の発明において、最もｎコンタクト層に近い井戸層のＩｎ組成比、すなわち最もＩｎ組成比の高い井戸層のＩｎ組成比（第５の発明における所定値）は、１５〜３０％とすることが望ましい。１５％よりも低いと発光スペクトルを十分に広げることができず、３０％よりも高いと井戸層の結晶性が悪化してしまう。より望ましくは２０〜３０％である。最もｎコンタクト層から遠い井戸層のＩｎ組成比、すなわち最もＩｎ組成比の低い井戸層のＩｎ組成比は、５〜２０％とすることが望ましい。５％よりも低いと、井戸層にキャリアを閉じ込めることが難しく、２０％よりも高いと、発光スペクトルを十分に広げることができない。より望ましくは１０〜２０％である。また、最もＩｎ組成比の高い井戸層のＩｎ組成比と、最もＩｎ組成比の低い井戸層のＩｎ組成比との差は、５〜２０％とすることが望ましい。この範囲であれば、発光スペクトルを十分に広くすることができるとともに、発光効率の低下を抑制することができる。また、隣接する井戸層間でのＩｎ組成比の差（第５の発明においてはＩｎ組成比が一定である区間を除く）は、１〜５％とすることが望ましい。発光スペクトルがより連続的でなめらかとなるためである。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、ホールブロック層は、Ａｌ組成比が１０〜３０％であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ホールブロック層は、厚さが５〜５０Åであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１９】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００２０】
第６の発明は、第５の発明において、Ｉｎ組成比が一定であるのは、ｎコンタクト層に３〜８番目に近い井戸層までであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００２１】
第７の発明は、第５の発明または第６の発明において、発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００２２】
第１、５の発明のように、各井戸層のＩｎ組成比の分布を、ｎコンタクト層側から離れるにしたがってＩｎ組成比が減少していく分布とすることでキャリア分布が広がり、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのオーバーフローが発生するため、第１の発明ではｎコンタクト層と発光層との間に厚さ１０〜１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層を設けることにより、第５の発明ではｎコンタクト層側の３〜１０層の各井戸層のＩｎ組成比を一定とすることにより、オーバーフローを抑制している。この結果、発光層へのキャリアの注入効率が保持され、発光効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。
【図２】発光層１３の構成を示した図。
【図３】ホールブロック層１２および発光層１３のバンド図。
【図４】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示した図。
【図５】実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。
【図６】発光層２３の構成を示した図。
【図７】発光層２３のバンド図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上にＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介してｎコンタクト層１１、ホールブロック層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層されている。ｐコンタクト層１５表面の一部領域には、その表面からｎコンタクト層１１に達する深さの溝が形成されていて、その溝の底面に露出したｎコンタクト層１１上にはｎ電極１６が設けられている。また、ｐコンタクト層１５上の溝形成部を除くほぼ全面にはＩＴＯからなる透明電極１７が設けられ、透明電極１７上にはｐ電極１８が設けられている。
【００２６】
サファイア基板１０のｎコンタクト層１１側表面にドット状、ストライプ状などの凹凸パターンを設け、光取り出し効率の向上を図るようにしてもよい。成長基板としてサファイア基板以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮ、Ｇａ2 Ｏ3 などを用いることができる。
【００２７】
ｎコンタクト層１１は、厚さ４μｍ、Ｓｉ濃度２×１０18／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮからなる。ｎ電極１６とのコンタクト抵抗をより低減するために、ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００２８】
ホールブロック層１２は、厚さ１００Å、Ｓｉ濃度２×１０18／ｃｍ3 、Ａｌ組成比２０％のｎ−ＡｌＧａＮからなる。
【００２９】
なお、ホールブロック層１２の厚さおよびＡｌ組成比は、電子をトンネルすることができ、かつホールをブロックすることができる厚さ、Ａｌ組成比であればよく、具体的には厚さ５〜１００Å、Ａｌ組成比１０〜３０％であればよい。より望ましくは厚さ５〜５０Å、Ａｌ組成比２０〜３０％である。また、ホールブロック層１２のＳｉ濃度は５×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲であればよい。
【００３０】
ホールブロック層１２とｎコンタクト層１１との間には、静電耐圧性を高めるためにＥＳＤ層を設けてもよい。ＥＳＤ層は、たとえば以下のような構成である。ｎコンタクト層１１側から順に、第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層構造とし、第１ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に１×１０8 ／ｃｍ2 以下のピットが形成され、厚さが２００〜１０００ｎｍ、Ｓｉ濃度が１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のＧａＮで構成され、第２ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に２×１０8 ／ｃｍ2 以上のピットが形成され、厚さが５０〜２００ｎｍ、キャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 以下のＧａＮで構成され、第３ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度（／ｃｍ3 ）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０20〜３．６×１０20（ｎｍ／ｃｍ3 ）のＧａＮで構成する。このようにＥＳＤ層を構成すれば、静電耐圧特性を向上させつつ、発光効率や信頼性を向上させることができ、電流のリークを減少させることができる。
【００３１】
発光層１３は、図２のように、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３０と、ＧａＮからなる障壁層１３１とを１ペアとして、４ペア繰り返し積層したＭＱＷ構造である。井戸層１３０は、ｎコンタクト層１１に近い側から順に井戸層１３０−１、１３０−２、１３０−３、１３０−４とする。井戸層１３０−１のＩｎ組成比をｘ１（単位は％、以下も同様）、井戸層１３０−２のＩｎ組成比をｘ２、井戸層１３０−３のＩｎ組成比をｘ３、井戸層１３０−４のＩｎ組成比をｘ４とすれば、ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞ｘ４となるよう井戸層１３０−１〜１３０−４は構成されている。つまり、ｎコンタクト層１１に近いほどＩｎ組成比が高く、離れるほどＩｎ組成比が低くなるように井戸層１３０が構成されている。
【００３２】
ｘ１は１５〜３０％であることが望ましい。１５％よりも低いと発光スペクトルを十分に広げることができず、３０％よりも高いと井戸層１３０−１の結晶性が悪化してしまう。より望ましくは２０〜３０％である。ｘ４は５〜２０％であることが望ましい。５％よりも低いと、井戸層１３０−４にキャリアを閉じ込めることが難しく、２０％よりも高いと、発光スペクトルを十分に広げることができない。より望ましくは１０〜２０％である。また、ｘ１とｘ４との差は、５〜２０％とすることが望ましい。この範囲であれば、発光スペクトルを十分に広くすることができるとともに、発光効率の低下を抑制することができる。隣接する井戸層１３０間の差、つまりｘ１とｘ２の差、ｘ２とｘ３の差、およびｘ３とｘ４の差は、１〜５％とすることが望ましい。発光スペクトルがより連続的でなめらかとなるためである。
【００３３】
なお、実施例１の発光層１３では、障壁層１３１としてＧａＮを用いているが、ＡｌＧａＮを用いてもよい。ＡｌＧａＮを用いる場合、Ａｌ組成比は５〜１０％とすることが望ましい。また、井戸層１３０と障壁層１３１との間に、井戸層１３０と同じ温度で形成されるキャップ層を設けるようにしてもよい。障壁層１３１形成時の昇温において井戸層１３０中のＩｎが蒸発してしまうのを抑制することができる。また、実施例１では井戸層１３０と障壁層１３１の繰り返し回数は４回としたが、４〜２０回であれば、発光効率を十分に高めることができる。
【００３４】
ｐクラッド層１４は、厚さ２ｎｍ、Ｍｇ濃度５×１０19／ｃｍ3 のｐ−ＡｌＧａＮ層と、厚さ２ｎｍ、Ｍｇ濃度５×１０19／ｃｍ3 のｐ−ＩｎＧａＮ層とを１単位として、これを７単位繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層１３に接する層をｐ−ＩｎＧａＮ層とし、最後に形成する層、すなわち、ｐコンタクト層１５に接する層をｐ−ＡｌＧａＮ層としている。ｐクラッド層１４は、ｐ−ＡｌＧａＮからなる単層であってもよい。
【００３５】
ｐコンタクト層１５は、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇ濃度１．０×１０21／ｃｍ3 のｐ−ＧａＮからなる。結晶性向上と透明電極１７とのコンタクト抵抗低減とを両立させるために、ｐコンタクト層１５をＭｇ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。たとえば、ｐクラッド層１４側から順に、Ｍｇ濃度１〜３×１０19／ｃｍ3 で厚さ３２０ÅのＧａＮからなる第１ｐコンタクト層、Ｍｇ濃度４〜６×１０19／ｃｍ3 で厚さ３２０ÅのＧａＮからなる第２ｐコンタクト層、Ｍｇ濃度１〜２×１０20／ｃｍ3 で厚さ８０ÅのＧａＮからなる第３ｐコンタクト層、の３層構造としてもよい。また、透明電極１７と接する第３ｐコンタクト層は、ＧａＮではなくＩｎＧａＮとしてもよい。仕事関数が透明電極１７に近くなるため、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。
【００３６】
透明電極１７は、ｐコンタクト層１５表面のほぼ全面に設けられている。透明電極１７には、ＩＴＯ以外にもＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）やＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）などの透明酸化物導電体材料や、Ａｕなどの金属薄膜を用いることができる。
【００３７】
ｎ電極１６、ｐ電極１８は、電流拡散性を向上させるために、ワイヤがボンディングされるパッド部と、面内に配線状（たとえば格子状、櫛歯状、放射状）に広がり、パッド部と接続する配線状部と、を有する構造としてもよい。
【００３８】
図３は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子のIII 族窒化物半導体層（ｎコンタクト層１１からｐコンタクト層１５まで順に積層された層）についてのバンド図を示している。図３のように、発光層１３の井戸層１３０のＩｎ組成比がｎコンタクト層１１から離れるにしたがって減少していくため、バンドギャップはｎコンタクト層１１から離れるにしたがって次第に大きくなっていっている。井戸層１３０のバンドギャップをこのような分布とすると、III 族窒化物半導体中の電子とホールの移動度の違い（電子の移動度に対してホールの移動度は小さい）に起因して、発光層１３中の各井戸層１３０−１〜１３０−４にキャリア分布が広がる。そして、各井戸層１３０−１〜１３０−４での発光波長が異なることから、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。
【００３９】
しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのｎコンタクト層１１側へのオーバーフローが発生してしまう。そこで実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、厚さ１００Å、Ａｌ組成比２０％のｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層１２を設けることにより、ホールのオーバーフローを抑制している。ホールをブロックする効果は、Ａｌ組成比が高いほど、つまりバンドギャップが大きいほど高く、ホールブロック層１２が厚いほど高くなる。一方でＡｌ組成比が高すぎたり、ホールブロック層１２が厚すぎると、電子が発光層１３へ注入される効率が低下する。そのため、ホールブロック層１２の厚さを１００Å、Ａｌ組成比を２０％としている。このようにホールブロック層１２を設けることにより、発光層１３へのキャリアの注入効率が保持され、その結果発光効率の向上を図ることができる。
【００４０】
図４は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。駆動電流をそれぞれ２０ｍＡ、１００ｍＡ、２００ｍＡとした場合である。いずれの場合にも、半値幅がおよそ４０ｎｍという幅広い発光スペクトルであることがわかる。また、発光スペクトルの形状は、連続的でなめらかであり、複数のピークを有するような形状ではないことがわかる。また、駆動電流によってスペクトル形状が変化していることがわかる。これは、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子を黄色蛍光体を混合した樹脂により封止した白色発光パッケージを作成した場合に、駆動電流によって白色発光パッケージの色度を調整可能であることを示している。
【００４１】
以上のように、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、発光層１３の井戸層１３０−１〜１３０−４のＩｎ組成比をｎコンタクト層１１から遠い井戸層１３０ほどＩｎ組成比が低くなるように構成し、さらにｎコンタクト層１１と発光層１３との間に厚さ１００Å、Ａｌ組成比２０％のホールブロック層１２を設けている。これにより、幅の広い発光スペクトルを有し、かつ発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現している。
【実施例２】
【００４２】
図５は、実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。図５のように、実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子において、ホールブロック層１２を省き、発光層１３に替えて以下に詳述する発光層２３を設けた構成である。
【００４３】
発光層２３は、図６に示すように、ＩｎＧａＮからなる井戸層２３０と、ＧａＮからなる障壁層２３１とを１ペアとして、１０ペア繰り返し積層したＭＱＷ構造である。井戸層２３０は、ｎコンタクト層１１に近い側から順に井戸層２３０−１、２３０−２、２３０−３、・・・、２３０−１０とする。井戸層２３０−ｉ（１≦ｉ≦１０）のＩｎ組成比をｙｉ（単位は％）とすれば、ｙ１＝ｙ２＝ｙ３である。つまり、ｎコンタクト層１１側から１番目〜３番目の井戸層２３０−１〜２３０−３は同じＩｎ組成比（発光波長が４５０ｎｍとなる組成比）である。また、ｙ３＞ｙ４＞ｙ５＞・・・＞ｙ９＞ｙ１０である。ｙ１０は発光波長が４２０ｎｍとなる組成比である。つまり、ｎコンタクト層１１側から４番目以降の井戸層２３０−４〜２３０−１０については、いずれも井戸層２３０−３よりもＩｎ組成比が低く、かつｎコンタクト層１１に近いほどＩｎ組成比が高く、離れるほどＩｎ組成比が低くなるように井戸層２３０−４〜２３０−１０が構成されている。
【００４４】
なお、実施例２の発光層２３では、障壁層２３１としてＧａＮを用いているが、ＡｌＧａＮを用いてもよい。ＡｌＧａＮを用いる場合、Ａｌ組成比は５〜１０％とすることが望ましい。また、井戸層２３０と障壁層２３１との間に、井戸層２３０と同じ温度で形成されるキャップ層を設けるようにしてもよい。障壁層２３１形成時の昇温において井戸層２３０中のＩｎが蒸発してしまうのを抑制することができる。また、実施例２では井戸層２３０と障壁層２３１の繰り返し回数を１０回としたが、４〜２０回であれば、十分に発光効率を向上させることができる。
【００４５】
図７は、実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子のIII 族窒化物半導体層（ｎコンタクト層１１からｐコンタクト層１５まで順に積層された層）についてのバンド図を示している。図７のように、井戸層２３０は、ｎコンタクト層１１側から１番目〜３番目の井戸層２３０−１〜２３０−３についてはＩｎ組成比が一定であるため、バンドギャップは一定である。また、ｎコンタクト層１１側から４番目以降の井戸層２３０−４〜２３０−１０については、Ｉｎ組成比がｎコンタクト層１１から離れるにしたがって減少していくため、バンドギャップはｎコンタクト層１１から離れるにしたがって次第に大きくなっていっている。井戸層２３０−４〜２３０−１０のバンドギャップをこのような分布とすると、III 族窒化物半導体中の電子とホールの移動度の違い（電子の移動度に対してホールの移動度は小さい）に起因して、発光層２３中の各井戸層２３０−４〜２３０−１０にキャリア分布が広がる。そして、各井戸層２３０−４〜２３０−１０での発光波長が異なることから、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。
【００４６】
しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのｎコンタクト層１１側へのオーバーフローが発生してしまう。そこで実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子では、井戸層２３０−４よりもＩｎ組成比が高く、かつ一定である井戸層２３０−１〜２３０−３をｎコンタクト層１１側に設けている。この井戸層２３０−１〜２３０−３において、オーバーフローしようとするホールを電子と接合させることで、ホールのオーバーフローを抑制している。その結果、発光層２３へのキャリアの注入効率が保持され、その結果発光効率の向上を図ることができる。
【００４７】
なお、ホールのオーバーフローを抑制する効果は、ｎコンタクト層１１側のＩｎ組成比を一定とする井戸層２３０の数が多いほど高くなる。一方でＩｎ組成比を一定とする井戸層２３０の数が多すぎると、ｎコンタクト層１１から離れた側の井戸層に達する電子が少なくなり、発光層２３中のキャリア分布が偏り発光スペクトルの幅が狭くなってしまう。そのため、Ｉｎ組成比を一定とする井戸層２３０はｎコンタクト層１１側から数えて１番目から３〜１０番目までとするのが望ましい。この範囲であれば、効率的にホールのオーバーフローを抑制して発光効率を向上させつつ、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。より望ましくは３〜８番目、さらに望ましくは３〜５番目までである。
【００４８】
実施例１、２のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型の素子であったが、本発明はこれに限定するものではなく、従来知られている任意の構造のIII 族窒化物半導体発光素子に適用することができる。たとえば、フリップチップ型の素子や、導電性基板を用いたり、レーザーリフトオフなどの技術によって基板を除去するなどして縦方向に導通をとる構造とした素子などにも本発明は適用することができる。そして、実施例１、２と同様に、幅広い発光スペクトルを得つつ、発光効率を向上させることができる。なお、フリップチップ型の素子やレーザーリフトオフによる素子の場合、Ｉｎ組成比が高い井戸層側から光を取り出すこととなるが、Ｉｎ組成比が高い井戸層での光の吸収はわずかであり、問題なく光を取り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置への利用に特に有効である。
【符号の説明】
【００５０】
１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１２：ホールブロック層
１３、２３：発光層
１４：ｐクラッド層
１５：ｐコンタクト層
１６：ｎ電極
１７：透明電極
１８：ｐ電極
１３０、２３０：井戸層
１３１、２３１：障壁層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光スペクトルの幅が広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
２０１１年現在、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光パッケージが一般照明用のＬＥＤ電球などとして利用され、白熱電球に比べて発光効率が高く長寿命であることなどから急速に普及し始めている。
【０００３】
この白色発光パッケージにおいて、蛍光体の励起効率を安定させるためには、青色ＬＥＤの発光スペクトルが広いことが望まれる。
【０００４】
発光スペクトルの広いIII 族窒化物半導体発光素子として、たとえば特許文献１、２がある。特許文献１には、III 族窒化物半導体層の上面に傾斜角度の異なる複数の傾斜面を設け、その傾斜面に沿って発光層を形成することが示されている。傾斜面の角度が異なると、その上に位置する発光層の領域の発光波長が異なる。その結果、III 族窒化物半導体発光素子は複数の発光波長で発光することとなり、発光スペクトルが広がる。
【０００５】
また、特許文献２には、ＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層の各井戸層のバンドギャップがｎ型層側に向かうにつれて小さくなっていくように構成することが示されている。このような構成の発光層とすれば、各井戸層へキャリア分布が広がり、各井戸層での発光波長が異なるため、発光スペクトルを広くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１８２８３２
【特許文献２】特開２００４−１２８４４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１では、III 族窒化物半導体層上面に傾斜角度の異なる傾斜面を設ける必要があるが、このような構造となるよう結晶成長させたり加工したりすることは技術的に難易度が高く、高コストであり、実用的な方法ではない。
【０００８】
また、特許文献２の方法では、キャリアの分布が広がることでホールのｎ型層側へのオーバーフローが発生してしまい、発光層へのキャリア注入効率が低下して発光効率が低下してしまう。
【０００９】
そこで本発明の目的は、発光スペクトルが広く、発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上部に位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、ｎコンタクト層と発光層との間に、厚さ５〜１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層を有し、各井戸層のＩｎ組成比は、ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１１】
第５の発明は、ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上に接して位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、各井戸層のＩｎ組成比は、ｎコンタクト層に最も近い１番目の井戸層から、ｎコンタクト層に３〜１０番目に近い井戸層までの各井戸層についてはＩｎ組成比が一定の所定値であり、それ以降の各井戸層については、Ｉｎ組成比が所定値よりも小さく、かつ、ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１２】
第１、５の発明において、発光層の構造は、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層が複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造であれば従来知られている任意の構造でよい。たとえば、井戸層と障壁層との間に、井戸層と同一温度で成長させるＧａＮまたはＡｌＧａＮからなるキャップ層を設けてもよい。キャップ層を設けることにより、障壁層形成時の昇温において井戸層からのＩｎの蒸発を抑制することができる。
【００１３】
発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、第１、５の発明において４〜２０回とすることが望ましい。繰り返し回数がこの範囲であれば、発光効率をより効果的に向上させることができる。
【００１４】
第１の発明において、ホールブロック層のＡｌ組成比は、１０〜３０％とすることが望ましい。より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。より望ましいホールブロック層のＡｌ組成比は２０〜３０％である。また、ホールブロック層は、Ｓｉ濃度が５×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 となる程度にＳｉがドープされていることが望ましい。この範囲でＳｉがドープされていると、素子の抵抗を低減することができ、駆動電圧の低下を図ることができる。また、ホールブロック層は、厚さ５〜５０Åとすることがより望ましい。厚さをこの範囲とすれば、より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。
【００１５】
第５の発明において、Ｉｎ組成比を一定とする井戸層は、ｎコンタクト層に最も近い１番目の井戸層から、ｎコンタクト層に３〜８番目に近い井戸層までとすることがより望ましい。より効果的にホールのオーバーフロー発生を抑制することができるとともに、電子のトンネルを阻害せず、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。さらに望ましくはｎコンタクト層に３〜５番目に近い井戸層までである。
【００１６】
第１、５の発明において、最もｎコンタクト層に近い井戸層のＩｎ組成比、すなわち最もＩｎ組成比の高い井戸層のＩｎ組成比（第５の発明における所定値）は、１５〜３０％とすることが望ましい。１５％よりも低いと発光スペクトルを十分に広げることができず、３０％よりも高いと井戸層の結晶性が悪化してしまう。より望ましくは２０〜３０％である。最もｎコンタクト層から遠い井戸層のＩｎ組成比、すなわち最もＩｎ組成比の低い井戸層のＩｎ組成比は、５〜２０％とすることが望ましい。５％よりも低いと、井戸層にキャリアを閉じ込めることが難しく、２０％よりも高いと、発光スペクトルを十分に広げることができない。より望ましくは１０〜２０％である。また、最もＩｎ組成比の高い井戸層のＩｎ組成比と、最もＩｎ組成比の低い井戸層のＩｎ組成比との差は、５〜２０％とすることが望ましい。この範囲であれば、発光スペクトルを十分に広くすることができるとともに、発光効率の低下を抑制することができる。また、隣接する井戸層間でのＩｎ組成比の差（第５の発明においてはＩｎ組成比が一定である区間を除く）は、１〜５％とすることが望ましい。発光スペクトルがより連続的でなめらかとなるためである。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、ホールブロック層は、Ａｌ組成比が１０〜３０％であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ホールブロック層は、厚さが５〜５０Åであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１９】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００２０】
第６の発明は、第５の発明において、Ｉｎ組成比が一定であるのは、ｎコンタクト層に３〜８番目に近い井戸層までであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００２１】
第７の発明は、第５の発明または第６の発明において、発光層の井戸層と障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００２２】
第１、５の発明のように、各井戸層のＩｎ組成比の分布を、ｎコンタクト層側から離れるにしたがってＩｎ組成比が減少していく分布とすることでキャリア分布が広がり、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのオーバーフローが発生するため、第１の発明ではｎコンタクト層と発光層との間に厚さ１０〜１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層を設けることにより、第５の発明ではｎコンタクト層側の３〜１０層の各井戸層のＩｎ組成比を一定とすることにより、オーバーフローを抑制している。この結果、発光層へのキャリアの注入効率が保持され、発光効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。
【図２】発光層１３の構成を示した図。
【図３】ホールブロック層１２および発光層１３のバンド図。
【図４】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示した図。
【図５】実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。
【図６】発光層２３の構成を示した図。
【図７】発光層２３のバンド図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上にＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介してｎコンタクト層１１、ホールブロック層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層されている。ｐコンタクト層１５表面の一部領域には、その表面からｎコンタクト層１１に達する深さの溝が形成されていて、その溝の底面に露出したｎコンタクト層１１上にはｎ電極１６が設けられている。また、ｐコンタクト層１５上の溝形成部を除くほぼ全面にはＩＴＯからなる透明電極１７が設けられ、透明電極１７上にはｐ電極１８が設けられている。
【００２６】
サファイア基板１０のｎコンタクト層１１側表面にドット状、ストライプ状などの凹凸パターンを設け、光取り出し効率の向上を図るようにしてもよい。成長基板としてサファイア基板以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮ、Ｇａ2 Ｏ3 などを用いることができる。
【００２７】
ｎコンタクト層１１は、厚さ４μｍ、Ｓｉ濃度２×１０18／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮからなる。ｎ電極１６とのコンタクト抵抗をより低減するために、ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００２８】
ホールブロック層１２は、厚さ１００Å、Ｓｉ濃度２×１０18／ｃｍ3 、Ａｌ組成比２０％のｎ−ＡｌＧａＮからなる。
【００２９】
なお、ホールブロック層１２の厚さおよびＡｌ組成比は、電子をトンネルすることができ、かつホールをブロックすることができる厚さ、Ａｌ組成比であればよく、具体的には厚さ５〜１００Å、Ａｌ組成比１０〜３０％であればよい。より望ましくは厚さ５〜５０Å、Ａｌ組成比２０〜３０％である。また、ホールブロック層１２のＳｉ濃度は５×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 の範囲であればよい。
【００３０】
ホールブロック層１２とｎコンタクト層１１との間には、静電耐圧性を高めるためにＥＳＤ層を設けてもよい。ＥＳＤ層は、たとえば以下のような構成である。ｎコンタクト層１１側から順に、第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層構造とし、第１ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に１×１０8 ／ｃｍ2 以下のピットが形成され、厚さが２００〜１０００ｎｍ、Ｓｉ濃度が１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のＧａＮで構成され、第２ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に２×１０8 ／ｃｍ2 以上のピットが形成され、厚さが５０〜２００ｎｍ、キャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 以下のＧａＮで構成され、第３ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度（／ｃｍ3 ）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０20〜３．６×１０20（ｎｍ／ｃｍ3 ）のＧａＮで構成する。このようにＥＳＤ層を構成すれば、静電耐圧特性を向上させつつ、発光効率や信頼性を向上させることができ、電流のリークを減少させることができる。
【００３１】
発光層１３は、図２のように、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３０と、ＧａＮからなる障壁層１３１とを１ペアとして、４ペア繰り返し積層したＭＱＷ構造である。井戸層１３０は、ｎコンタクト層１１に近い側から順に井戸層１３０−１、１３０−２、１３０−３、１３０−４とする。井戸層１３０−１のＩｎ組成比をｘ１（単位は％、以下も同様）、井戸層１３０−２のＩｎ組成比をｘ２、井戸層１３０−３のＩｎ組成比をｘ３、井戸層１３０−４のＩｎ組成比をｘ４とすれば、ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞ｘ４となるよう井戸層１３０−１〜１３０−４は構成されている。つまり、ｎコンタクト層１１に近いほどＩｎ組成比が高く、離れるほどＩｎ組成比が低くなるように井戸層１３０が構成されている。
【００３２】
ｘ１は１５〜３０％であることが望ましい。１５％よりも低いと発光スペクトルを十分に広げることができず、３０％よりも高いと井戸層１３０−１の結晶性が悪化してしまう。より望ましくは２０〜３０％である。ｘ４は５〜２０％であることが望ましい。５％よりも低いと、井戸層１３０−４にキャリアを閉じ込めることが難しく、２０％よりも高いと、発光スペクトルを十分に広げることができない。より望ましくは１０〜２０％である。また、ｘ１とｘ４との差は、５〜２０％とすることが望ましい。この範囲であれば、発光スペクトルを十分に広くすることができるとともに、発光効率の低下を抑制することができる。隣接する井戸層１３０間の差、つまりｘ１とｘ２の差、ｘ２とｘ３の差、およびｘ３とｘ４の差は、１〜５％とすることが望ましい。発光スペクトルがより連続的でなめらかとなるためである。
【００３３】
なお、実施例１の発光層１３では、障壁層１３１としてＧａＮを用いているが、ＡｌＧａＮを用いてもよい。ＡｌＧａＮを用いる場合、Ａｌ組成比は５〜１０％とすることが望ましい。また、井戸層１３０と障壁層１３１との間に、井戸層１３０と同じ温度で形成されるキャップ層を設けるようにしてもよい。障壁層１３１形成時の昇温において井戸層１３０中のＩｎが蒸発してしまうのを抑制することができる。また、実施例１では井戸層１３０と障壁層１３１の繰り返し回数は４回としたが、４〜２０回であれば、発光効率を十分に高めることができる。
【００３４】
ｐクラッド層１４は、厚さ２ｎｍ、Ｍｇ濃度５×１０19／ｃｍ3 のｐ−ＡｌＧａＮ層と、厚さ２ｎｍ、Ｍｇ濃度５×１０19／ｃｍ3 のｐ−ＩｎＧａＮ層とを１単位として、これを７単位繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層１３に接する層をｐ−ＩｎＧａＮ層とし、最後に形成する層、すなわち、ｐコンタクト層１５に接する層をｐ−ＡｌＧａＮ層としている。ｐクラッド層１４は、ｐ−ＡｌＧａＮからなる単層であってもよい。
【００３５】
ｐコンタクト層１５は、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇ濃度１．０×１０21／ｃｍ3 のｐ−ＧａＮからなる。結晶性向上と透明電極１７とのコンタクト抵抗低減とを両立させるために、ｐコンタクト層１５をＭｇ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。たとえば、ｐクラッド層１４側から順に、Ｍｇ濃度１〜３×１０19／ｃｍ3 で厚さ３２０ÅのＧａＮからなる第１ｐコンタクト層、Ｍｇ濃度４〜６×１０19／ｃｍ3 で厚さ３２０ÅのＧａＮからなる第２ｐコンタクト層、Ｍｇ濃度１〜２×１０20／ｃｍ3 で厚さ８０ÅのＧａＮからなる第３ｐコンタクト層、の３層構造としてもよい。また、透明電極１７と接する第３ｐコンタクト層は、ＧａＮではなくＩｎＧａＮとしてもよい。仕事関数が透明電極１７に近くなるため、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。
【００３６】
透明電極１７は、ｐコンタクト層１５表面のほぼ全面に設けられている。透明電極１７には、ＩＴＯ以外にもＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）やＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）などの透明酸化物導電体材料や、Ａｕなどの金属薄膜を用いることができる。
【００３７】
ｎ電極１６、ｐ電極１８は、電流拡散性を向上させるために、ワイヤがボンディングされるパッド部と、面内に配線状（たとえば格子状、櫛歯状、放射状）に広がり、パッド部と接続する配線状部と、を有する構造としてもよい。
【００３８】
図３は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子のIII 族窒化物半導体層（ｎコンタクト層１１からｐコンタクト層１５まで順に積層された層）についてのバンド図を示している。図３のように、発光層１３の井戸層１３０のＩｎ組成比がｎコンタクト層１１から離れるにしたがって減少していくため、バンドギャップはｎコンタクト層１１から離れるにしたがって次第に大きくなっていっている。井戸層１３０のバンドギャップをこのような分布とすると、III 族窒化物半導体中の電子とホールの移動度の違い（電子の移動度に対してホールの移動度は小さい）に起因して、発光層１３中の各井戸層１３０−１〜１３０−４にキャリア分布が広がる。そして、各井戸層１３０−１〜１３０−４での発光波長が異なることから、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。
【００３９】
しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのｎコンタクト層１１側へのオーバーフローが発生してしまう。そこで実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、厚さ１００Å、Ａｌ組成比２０％のｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層１２を設けることにより、ホールのオーバーフローを抑制している。ホールをブロックする効果は、Ａｌ組成比が高いほど、つまりバンドギャップが大きいほど高く、ホールブロック層１２が厚いほど高くなる。一方でＡｌ組成比が高すぎたり、ホールブロック層１２が厚すぎると、電子が発光層１３へ注入される効率が低下する。そのため、ホールブロック層１２の厚さを１００Å、Ａｌ組成比を２０％としている。このようにホールブロック層１２を設けることにより、発光層１３へのキャリアの注入効率が保持され、その結果発光効率の向上を図ることができる。
【００４０】
図４は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。駆動電流をそれぞれ２０ｍＡ、１００ｍＡ、２００ｍＡとした場合である。いずれの場合にも、半値幅がおよそ４０ｎｍという幅広い発光スペクトルであることがわかる。また、発光スペクトルの形状は、連続的でなめらかであり、複数のピークを有するような形状ではないことがわかる。また、駆動電流によってスペクトル形状が変化していることがわかる。これは、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子を黄色蛍光体を混合した樹脂により封止した白色発光パッケージを作成した場合に、駆動電流によって白色発光パッケージの色度を調整可能であることを示している。
【００４１】
以上のように、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、発光層１３の井戸層１３０−１〜１３０−４のＩｎ組成比をｎコンタクト層１１から遠い井戸層１３０ほどＩｎ組成比が低くなるように構成し、さらにｎコンタクト層１１と発光層１３との間に厚さ１００Å、Ａｌ組成比２０％のホールブロック層１２を設けている。これにより、幅の広い発光スペクトルを有し、かつ発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子を実現している。
【実施例２】
【００４２】
図５は、実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。図５のように、実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子において、ホールブロック層１２を省き、発光層１３に替えて以下に詳述する発光層２３を設けた構成である。
【００４３】
発光層２３は、図６に示すように、ＩｎＧａＮからなる井戸層２３０と、ＧａＮからなる障壁層２３１とを１ペアとして、１０ペア繰り返し積層したＭＱＷ構造である。井戸層２３０は、ｎコンタクト層１１に近い側から順に井戸層２３０−１、２３０−２、２３０−３、・・・、２３０−１０とする。井戸層２３０−ｉ（１≦ｉ≦１０）のＩｎ組成比をｙｉ（単位は％）とすれば、ｙ１＝ｙ２＝ｙ３である。つまり、ｎコンタクト層１１側から１番目〜３番目の井戸層２３０−１〜２３０−３は同じＩｎ組成比（発光波長が４５０ｎｍとなる組成比）である。また、ｙ３＞ｙ４＞ｙ５＞・・・＞ｙ９＞ｙ１０である。ｙ１０は発光波長が４２０ｎｍとなる組成比である。つまり、ｎコンタクト層１１側から４番目以降の井戸層２３０−４〜２３０−１０については、いずれも井戸層２３０−３よりもＩｎ組成比が低く、かつｎコンタクト層１１に近いほどＩｎ組成比が高く、離れるほどＩｎ組成比が低くなるように井戸層２３０−４〜２３０−１０が構成されている。
【００４４】
なお、実施例２の発光層２３では、障壁層２３１としてＧａＮを用いているが、ＡｌＧａＮを用いてもよい。ＡｌＧａＮを用いる場合、Ａｌ組成比は５〜１０％とすることが望ましい。また、井戸層２３０と障壁層２３１との間に、井戸層２３０と同じ温度で形成されるキャップ層を設けるようにしてもよい。障壁層２３１形成時の昇温において井戸層２３０中のＩｎが蒸発してしまうのを抑制することができる。また、実施例２では井戸層２３０と障壁層２３１の繰り返し回数を１０回としたが、４〜２０回であれば、十分に発光効率を向上させることができる。
【００４５】
図７は、実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子のIII 族窒化物半導体層（ｎコンタクト層１１からｐコンタクト層１５まで順に積層された層）についてのバンド図を示している。図７のように、井戸層２３０は、ｎコンタクト層１１側から１番目〜３番目の井戸層２３０−１〜２３０−３についてはＩｎ組成比が一定であるため、バンドギャップは一定である。また、ｎコンタクト層１１側から４番目以降の井戸層２３０−４〜２３０−１０については、Ｉｎ組成比がｎコンタクト層１１から離れるにしたがって減少していくため、バンドギャップはｎコンタクト層１１から離れるにしたがって次第に大きくなっていっている。井戸層２３０−４〜２３０−１０のバンドギャップをこのような分布とすると、III 族窒化物半導体中の電子とホールの移動度の違い（電子の移動度に対してホールの移動度は小さい）に起因して、発光層２３中の各井戸層２３０−４〜２３０−１０にキャリア分布が広がる。そして、各井戸層２３０−４〜２３０−１０での発光波長が異なることから、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。
【００４６】
しかし、キャリア分布が広がる結果、ホールのｎコンタクト層１１側へのオーバーフローが発生してしまう。そこで実施例２のIII 族窒化物半導体発光素子では、井戸層２３０−４よりもＩｎ組成比が高く、かつ一定である井戸層２３０−１〜２３０−３をｎコンタクト層１１側に設けている。この井戸層２３０−１〜２３０−３において、オーバーフローしようとするホールを電子と接合させることで、ホールのオーバーフローを抑制している。その結果、発光層２３へのキャリアの注入効率が保持され、その結果発光効率の向上を図ることができる。
【００４７】
なお、ホールのオーバーフローを抑制する効果は、ｎコンタクト層１１側のＩｎ組成比を一定とする井戸層２３０の数が多いほど高くなる。一方でＩｎ組成比を一定とする井戸層２３０の数が多すぎると、ｎコンタクト層１１から離れた側の井戸層に達する電子が少なくなり、発光層２３中のキャリア分布が偏り発光スペクトルの幅が狭くなってしまう。そのため、Ｉｎ組成比を一定とする井戸層２３０はｎコンタクト層１１側から数えて１番目から３〜１０番目までとするのが望ましい。この範囲であれば、効率的にホールのオーバーフローを抑制して発光効率を向上させつつ、幅の広い発光スペクトルを得ることができる。より望ましくは３〜８番目、さらに望ましくは３〜５番目までである。
【００４８】
実施例１、２のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型の素子であったが、本発明はこれに限定するものではなく、従来知られている任意の構造のIII 族窒化物半導体発光素子に適用することができる。たとえば、フリップチップ型の素子や、導電性基板を用いたり、レーザーリフトオフなどの技術によって基板を除去するなどして縦方向に導通をとる構造とした素子などにも本発明は適用することができる。そして、実施例１、２と同様に、幅広い発光スペクトルを得つつ、発光効率を向上させることができる。なお、フリップチップ型の素子やレーザーリフトオフによる素子の場合、Ｉｎ組成比が高い井戸層側から光を取り出すこととなるが、Ｉｎ組成比が高い井戸層での光の吸収はわずかであり、問題なく光を取り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置への利用に特に有効である。
【符号の説明】
【００５０】
１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１２：ホールブロック層
１３、２３：発光層
１４：ｐクラッド層
１５：ｐコンタクト層
１６：ｎ電極
１７：透明電極
１８：ｐ電極
１３０、２３０：井戸層
１３１、２３１：障壁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上部に位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
ｎコンタクト層と発光層との間に、厚さ５〜１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層を有し、
各前記井戸層のＩｎ組成比は、前記ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ホールブロック層は、Ａｌ組成比が１０〜３０％であ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】
前記ホールブロック層は、厚さが５〜５０Å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】
前記発光層の前記井戸層と前記障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上に接して位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
各前記井戸層のＩｎ組成比は、前記ｎコンタクト層に最も近い１番目の前記井戸層から、前記ｎコンタクト層に３〜１０番目に近い前記井戸層までの各前記井戸層についてはＩｎ組成比が一定の所定値であり、それ以降の各前記井戸層については、Ｉｎ組成比が前記所定値よりも小さく、かつ、前記ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
Ｉｎ組成比が一定であるのは、前記ｎコンタクト層に３〜８番目に近い前記井戸層までであることを特徴とする請求項５に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層の前記井戸層と前記障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項１】
ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上部に位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
ｎコンタクト層と発光層との間に、厚さ５〜１００Åのｎ−ＡｌＧａＮからなるホールブロック層を有し、
各前記井戸層のＩｎ組成比は、前記ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ホールブロック層は、Ａｌ組成比が１０〜３０％であ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】
前記ホールブロック層は、厚さが５〜５０Å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】
前記発光層の前記井戸層と前記障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
ｎコンタクト層と、ｎコンタクト層上に接して位置し、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造の発光層と、を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
各前記井戸層のＩｎ組成比は、前記ｎコンタクト層に最も近い１番目の前記井戸層から、前記ｎコンタクト層に３〜１０番目に近い前記井戸層までの各前記井戸層についてはＩｎ組成比が一定の所定値であり、それ以降の各前記井戸層については、Ｉｎ組成比が前記所定値よりも小さく、かつ、前記ｎコンタクト層側から遠い井戸層ほどＩｎ組成比が小さい、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
Ｉｎ組成比が一定であるのは、前記ｎコンタクト層に３〜８番目に近い前記井戸層までであることを特徴とする請求項５に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層の前記井戸層と前記障壁層の繰り返し回数は、４〜２０回であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６２３４６（Ｐ２０１３−６２３４６Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９２５９（Ｐ２０１１−１９９２５９）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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