JP2009245982A - 窒化物発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】長波長の光を発光する活性層内における発光効率を向上可能であると共に波長シフトを低減可能である窒化物発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物発光素子１１は、第１導電型の窒化物半導体層１３と、第２導電型の窒化物半導体層１５と、活性層１７とを備える。活性層１７はＩｎＧａＮ領域１８を含む。ＩｎＧａＮ領域１８は、単一の極大値Ｓ_ＭＡＸをとるインジウムプロファイルＰ_Ｉｎを有している。第１のＩｎＧａＮ領域１７のインジウム組成は、当該ＩｎＧａＮ領域１８の全体にわたって変化している。ＩｎＧａＮ領域１８のインジウムプロファイルＰ_Ｉｎは単一の極大値Ｓ_ＭＡＸをとるので、この極値をとる位置Ｚ_ＭＡＸにおいてキャリアに対するポテンシャルが最も低い。電子分布と正孔分布の分離が生じない。したがって、外部電界が印加されたとき、これらの波動関数の重なり積分の減少は小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物発光素子に関する。

特許文献１では、単一の横モード及び低い閾値電流のレーザ素子が記載されている。レーザ素子は、活性層の両側に設けられた組成傾斜層を含む。組成傾斜層の各々は窒化物半導体よりなり、また組成傾斜層のバンドギャップは、活性層に接近するに従って小さくなるように調整されている。

特許文献２には、発光効率を向上できる発光素子が記載されている。この窒化物半導体発光素子では、光出力が向上されると共に、順方向電圧降下Ｖｆ及び閾値が低減される。活性層の両側にそれぞれ設けられたｎ側多層膜層及びｐ側多層膜層を含む。ｎ側多層膜層は、２．５ｎｍの厚さを有する２４０層のアンドープのＩｎＧａＮと、２．５ｎｍの厚さを有する２４０層のＳｉドープのＧａＮ層とが交互に積層されてなる。アンドープのＩｎＧａＮは組成傾斜している。最初の成長では、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎが成長される。２回目以降の成長では、Ｉｎの組成比を徐々に増加させながら、ＩｎＧａＮが成長される。最終の成長では、Ｉｎ_０．３Ｇａ_０．７ Ｎが成長される。

特許文献３には、長波長のレーザ光を発生する窒化物半導体レーザ素子が記載されている。この窒化物半導体レーザ素子では、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のＡｌ組成が、活性層に接近するにつれて少なくなるように組成傾斜されている。また、ｎ型ガイド層及びｐ型ガイド層のＩｎ組成が、活性層に接近するにつれて組成傾斜されている。これによって、ガイド層や活性層の結晶品質が向上される。
特開平１０−２２３９８３号公報 特開平１１−３３０５５４号公報 特開２０００−２９９５３２号公報

窒化物半導体発光素子では、長波長の発光を得るために、活性層はＩｎＧａＮからなる領域を含む。大きなインジウム組成を有する厚いＩｎＧａＮ領域を含む窒化物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ領域の結晶品質が低下する。ＩｎＧａＮ領域の歪みも大きくなる。井戸層内における電子と正孔の分離が生じるとき、発光効率が低下するだけでなく、発光波長が外部からの印加電圧の増加にとともに短波長領域にシフトする。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、長波長の光を発光する活性層内における発光効率を向上可能であると共に波長シフトを低減可能である窒化物発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る窒化物発光素子は、（ａ）第１導電型の窒化物半導体層と、（ｂ）第２導電型の窒化物半導体層と、（ｃ）前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられた活性層とを備える。前記第１導電型窒化物半導体層、前記活性層及び前記第２導電型窒化物半導体層は、所定の軸に沿って配置されており、前記活性層は第１のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第１のＩｎＧａＮ領域は、単一の極大値をとるインジウムプロファイルを有しており、前記第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、当該第１のＩｎＧａＮ領域の全体にわたって変化している。

この窒化物発光素子によれば、第１のＩｎＧａＮ領域のインジウムプロファイルは単一の極大値をとるので、この極値においてキャリアに対するポテンシャルが最も低い。第１のＩｎＧａＮ領域におけるキャリアの波動関数は、この極値に対応する位置付近に大きな振幅を有する。また、電界は、第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成からのポテンシャルの形状を変形させる。しかしながら、第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成が当該第１のＩｎＧａＮ領域の全体にわたって変化して極値を提供するので、キャリアの波動関数の変位は小さい。したがって、発光効率を向上可能である。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１のＩｎＧａＮ領域は、第１の部分と第２の部分とを含み、前記第１の部分は、前記第１導電型窒化物半導体層及び前記第２導電型窒化物半導体層の一方から他方への方向に前記極大値まで増加するように傾斜するインジウムプロファイルを有しており、前記第２の部分は、前記方向に前記極大値から減少するように傾斜するインジウムプロファイルを有しており、前記第１のＩｎＧａＮ領域は前記活性層の井戸層に含まれることができる。この窒化物発光素子によれば、単一の極大値をとるインジウムプロファイルは、インジウム組成の極大値への増大と、この極大値からの減少とによって提供される。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１のＩｎＧａＮ領域のインジウムプロファイルは、前記第１導電型窒化物半導体層及び前記第２導電型窒化物半導体層の一方から他方への方向に増加するように傾斜する領域を含むことができる。この窒化物発光素子によれば、インジウムプロファイルにおける極大値は、第１のＩｎＧａＮ領域におけるインジウム組成の極大値への増大によって提供される。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記活性層は、単一の極大値を含むインジウムプロファイルを有する第２のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第２のＩｎＧａＮ領域は、前記第１導電型窒化物半導体層と前記第１のＩｎＧａＮ領域との間に設けられていることができる。

この窒化物発光素子によれば、活性層は、複数の極大値を有するインジウムプロファイルを有することができる。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１のＩｎＧａＮ領域は前記第２のＩｎＧａＮ領域と隣接していることができる。

この窒化物発光素子によれば、第１及び第２のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成における極大値と、これら複数の極大値の間に設けられインジウムプロファイルにおけるＩｎ組成の減少及び増大とにより、第１及び第２のＩｎＧａＮ領域の個々おける量子準位が分離可能である。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記活性層は第１及び第２の障壁層を含み、前記第１のＩｎＧａＮ領域は、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられていることができる。この窒化物発光素子によれば、障壁層により、第１のＩｎＧａＮ領域におけるキャリアの閉じ込めが良好になる。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記活性層は、第１〜第３の障壁層を含み、前記活性層は、単一の極大値を有するインジウムプロファイルを有する一又は複数の第２のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第１のＩｎＧａＮ領域は、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられ、前記第２のＩｎＧａＮ領域に、前記第２の障壁層と前記第３の障壁層との間に設けられていることができる。

この窒化物発光素子によれば、個々のＩｎＧａＮ領域は障壁層に隔てられているので、第１及び第２のＩｎＧａＮ領域の個々おける量子準位が分離可能である。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１及び第２の障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなることが好ましい。この窒化物発光素子によれば、第１及び第２の障壁層のためにＧａＮまたはＩｎＧａＮを使用可能であり、これにより、第１のＩｎＧａＮ領域へのキャリア閉じ込めを向上できる。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１の領域におけるインジウム組成の最大値は０．１以上であることが好ましい。前記第１の領域におけるインジウム組成の最大値は０．３以下であることが好ましい。この範囲によれば、長波長の発光素子のために好適な窒化物発光素子が提供される。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記活性層は、４５０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下の範囲の波長領域内の光を発生するように設けられていることができる。この窒化物発光素子によれば、上記の波長領域範囲の長波長の光を発生する発光素子に好適である。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記活性層はＩｎＧａＮからなることができる。この窒化物発光素子によれば、長波長の発光素子のために好適な窒化物発光素子が提供される。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１導電型の窒化物半導体層、前記第２導電型の窒化物半導体層、及び前記活性層を搭載する基板を更に備えることができる。前記基板は六方晶系の材料から成り、前記基板の主面は極性面であることができる。この窒化物発光素子は、極性面上に作製される発光素子に好適である。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記第１導電型の窒化物半導体層、前記第２導電型の窒化物半導体層、及び前記活性層を搭載する基板を更に備えることができる。前記基板は六方晶系の材料から成り、前記基板の主面は半極性面であることができる。この窒化物発光素子は、半極性面上に作製される発光素子に好適である。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記基板はＧａＮからなることができる。この窒化物発光素子によれば、低転位の基板が提供される。

本発明に係る窒化物発光素子では、前記基板はＩｎＧａＮからなることができる。この窒化物発光素子によれば、活性層におけるＩｎＧａＮと基板との格子不整を縮小できる。

本発明に係る窒化物発光素子は、前記第１導電型窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられた第１の光ガイド層と、前記活性層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられた第２の光ガイド層とを更に備えることができる。前記第１の光ガイド層はＩｎ_ＵＧａ_１−ＵＮ（０＜Ｕ＜１）からなり、前記第２の光ガイド層はＩｎ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０＜Ｖ＜１）からなることができる。

この窒化物発光素子によれば、ＩｎＧａＮ基板を用いるときに、光ガイド層及び活性層における平均インジウム組成を高めることができる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、活性層の発光効率を向上可能であると共に波長シフトを低減可能である窒化物発光素子が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物発光素子、および窒化物発光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る窒化物発光素子の構造を概略的に示す図面である。窒化物発光素子としては、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等がある。

窒化物発光素子１１は、第１導電型の窒化物半導体層１３と、第２導電型の窒化物半導体層１５と、活性層１７とを備える。活性層１７は、第１導電型窒化物半導体層１３と第２導電型窒化物半導体層１５との間に設けられている。第１導電型窒化物半導体層１３、活性層１７及び第２導電型窒化物半導体層１５は所定の軸Aｘに沿って順に配置されている。活性層１７はＩｎＧａＮ領域１８を含む。図１（ｂ）に示されるように、ＩｎＧａＮ領域１８は、単一の極大値Ｓ_ＭＡＸをとるインジウムプロファイルＰ_Ｉｎを有している。ＩｎＧａＮ領域１８のインジウム組成は、当該ＩｎＧａＮ領域１８の全体にわたって変化している。

この窒化物発光素子１１によれば、ＩｎＧａＮ領域１８のインジウムプロファイルＰ_Ｉｎは単一の極大値Ｓ_ＭＡＸをとるので、図２（ａ）に示されるように、この極値をとる位置Ｚ_ＭＡＸにおいてキャリアに対するポテンシャルが最も低い。ＩｎＧａＮ領域１８における電子の波動関数φＧ_１及び正孔の波動関数φＨ_１は、この位置Ｚ_ＭＡＸの付近に大きな振幅を有する。また、ＩｎＧａＮ領域１８のインジウム組成は、当該ＩｎＧａＮ領域１８の全体にわたって変化しているので、ＩｎＧａＮ領域１８内の上記の位置Ｚ_ＭＡＸの近傍においてキャリアに対するポテンシャルは低く、またｐ側及びｎ側へのいずれかの方向への変位によりキャリアに対するポテンシャルは増加する。図２（ｂ）に示されるように、電界Ｆ_Ａは、ＩｎＧａＮ領域１８のインジウム組成によるポテンシャルの形状を変形させる。この変形により、キャリアの波動関数は変形して電子の波動関数φＧ_２及び正孔の波動関数φＨ_２となる。しかしながら、単一の極値によりキャリアの波動関数φＧ_２、φＨ_２の変位は小さい。故に、電子分布と正孔分布の分離が生じない。したがって、これらの波動関数の重なり積分の減少は小さい。

一方、図３（ａ）に示されるように、井戸層が、矩形の井戸型のポテンシャルを有する活性層では、電子の波動関数φＧ_３及び正孔の波動関数φＨ_３は、井戸層の中心の位置の付近に大きな振幅を有する。大きな電界Ｆ_Ａは、図３（ｂ）に示されるように、井戸層のインジウム組成によるポテンシャルの形状を変形させる。この変形により、電子の波動関数φＧ_４は、正の電位に引かれて変形して、井戸型のポテンシャルの一端の方向にシフトする。正孔の波動関数φＨ_４は、負の電位に引かれて変形して、井戸型のポテンシャルの他端の方向にシフトする。電子の波動関数φＧ_４の中心の位置は、正孔の波動関数φＨ_４の中心の位置と大きく異なり、これ故に、これらの波動関数の重なり積分は小さい。電子分布と正孔分布の分離が大きい。

また、図２（ａ）を参照すると、ＩｎＧａＮ領域１８における正孔バンドと電子バンドとのエネルギ差の最小は、△Ｅ_０である。電界Ｆ_Ａの印加により最小値の変化はない。電子の波動関数φＧ_１及び正孔の波動関数φＨ_１の変位はわずかであるので、ブルーシフトも非常に小さい。

一方、図３（ａ）を参照すると、井戸型のＩｎＧａＮ領域における正孔バンドと電子バンドとのエネルギ差の最小は、△Ｅ_０である。電界Ｆ_Ａにより最小値は変化して、△Ｅ_１（△Ｅ_１＜△Ｅ_０）になる。このため、電子の波動関数φＧ_２及び正孔の波動関数φＨ_２の変位も大きい。故に、ブルーシフトは大きい。

さらに、ＩｎＧａＮ領域１８では、インジウム組成を部分的に増加させているので、ＩｎＧａＮ領域１８の全体として平均Ｉｎ組成を下げながら、ＩｎＧａＮ領域１８のポテンシャルに極値を形成している。平均Ｉｎ組成の低下により、ＩｎＧａＮ領域１８の結晶品質を向上させることができる。

再び図１（ｂ）を参照すると、ＩｎＧａＮ領域１８は、第１の部分１８ａと第２の部分１８ｂとを含む。第１の部分１８ａは、第１導電型窒化物半導体層１３及び第２導電型窒化物半導体層１５の一方から他方への方向（例えば、Ｚ方向）に、ＩｎＧａＮ領域１８の一端における極小値Ｓ_ＭＩＮ１から極大値Ｓ_ＭＡＸまで単調に増加するように傾斜するインジウムプロファイルを有する。また、第２の部分１８ｂは、上記の方向にＩｎＧａＮ領域１８の他端における極小値Ｓ_ＭＩＮ２へ極大値Ｓ_ＭＡＸから減少するように傾斜するインジウムプロファイルを有する。ＩｎＧａＮ領域１８は、活性層１７の井戸層に含まれることができる。この窒化物発光素子１１によれば、単一の極大値Ｓ_ＭＡＸをとるインジウムプロファイルは、インジウム組成の極小値Ｓ_ＭＩＮ１から極大値Ｓ_ＭＡＸへの増大と、この極大値Ｓ_ＭＡＸから極小値Ｓ_ＭＩＮ２への減少とによって提供される。

なお、図１（ｂ）では、第１の部分１８ａと第２の部分１８ｂのいずれも、直線的に変化する傾斜組成を有している。しかしながら、本件発明は、特定の形状のインジウムプロファイルに限定されることはない。例えば、第１のＩｎＧａＮ領域１８のインジウムプロファイルはＺ方向に単調に変化するように傾斜する領域を含むことができる。単調な変化は、例えば、単調な増加或いは単調な減少であることができる。この窒化物発光素子では、インジウムプロファイルにおける極大値Ｓ_ＭＡＸは、ＩｎＧａＮ領域１８におけるインジウム組成の極大値への単調な変化によって提供される。

第１のＩｎＧａＮ領域１７内の第１の部分１８ａの形成では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層及びｐ型窒化ガリウム系半導体層の一方から他方へ向いた方向に、第１の部分１８ａのインジウムプロファイルが極大値まで増加するように成長される。第２の部分１８ｂの形成では、第２の部分１８ｂのインジウムプロファイルが上記の方向に極大値から減少するように成長される。この形成によれば、ＩｎＧａＮ領域１８のインジウム組成が当該第１のＩｎＧａＮ領域１８の全体にわたって変化するので、ＩｎＧａＮ領域１８における平均インジウム組成の増大を避けながら、長波長の発光を提供可能な活性層１７を作製可能である。また、第１のＩｎＧａＮ領域１８は、単一の極大値をとるインジウムプロファイルを有するように成長されるので、長い発光波長を得るための量子準位を実現すると共に、該ＩｎＧａＮ領域１８における歪みを低減できる。

図１（ｂ）に示されたインジウム組成の変化において第１の領域１８ａの厚さは第２の領域１８ｂの厚さとほぼ等しいとき、発光効率が良くなるという利点がある。

図１（ａ）を参照すると、活性層１７は、第１の障壁層２９ａ及び第２の障壁層２９ｂを含むことができる。ＩｎＧａＮ領域１８は、第１の障壁層２９ａと第２の障壁層２９ｂとの間に設けられる。第１の障壁層２９ａ及び第２の障壁層２９ｂにより、ＩｎＧａＮ領域１８へのキャリアの閉じ込めが強化される。第１の障壁層２９ａと第２の障壁層２９ｂのバンドギャップは、ＩｎＧａＮ領域１８のバンドギャップの最大値以上である。これにより、ＩｎＧａＮ領域１８へのキャリア閉じ込めを向上できる。第１の障壁層２９ａと第２の障壁層２９ｂは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。

ＩｎＧａＮ領域１８の組成傾斜及び膜厚は、発光に寄与する量子準位がＩｎＧａＮ領域１８及びこれに隣接する窒化ガリウム系半導体層により活性層１７内に形成されるように決定される。

窒化物発光素子１１では、ＩｎＧａＮ領域１８におけるインジウム組成の最大値は０．１以上であることが好ましい。最大値が０．１未満であると、キャリアの閉じ込めが弱くなるからである。また、ＩｎＧａＮ領域１８におけるインジウム組成の最大値は０．３以下であることが好ましい。最大値が０．３を越えると、結晶性の悪化により発光効率低下するからである。この範囲によれば、長波長の発光素子のために好適な窒化物発光素子が提供される。

窒化物発光素子１１では、ＩｎＧａＮ領域１８における膜厚は５ｎｍ以上であることが好ましい。この値未満であると、Ｉｎ組成傾斜が急になり、結晶性改善の効果が得にくいからである。また、ＩｎＧａＮ領域１８における膜厚は３０ｎｍ以下であることが好ましい。この値を超えると結晶性の悪化を招くからである。

窒化物発光素子１１では、活性層１７は、４５０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下の範囲の波長領域内の光を発生するように設けられていることができる。

窒化物発光素子１１では、活性層１７はＩｎＧａＮからなることができる。この活性層１７は、長波長の発光素子のために好適である。

窒化物発光素子１１では、第２導電型窒化物半導体層１５は、例えば電子ブロック層２１と、ｐ型コンタクト層２３とを含むことができる。電子ブロック層２１は、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型コンタクト層２３は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。第１導電型窒化物半導体層１３は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２５を含むことができ、また必要な場合には、ｎ型窒化ガリウム系半導体バッファ層２７を含むことができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層２５は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体バッファ層２７は、例えば例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。

また、ｐ型コンタクト層２３上には、コンタクト窓を有する絶縁膜３１が設けられている。ｐ型コンタクト層２３は、コンタクト窓を介して電極３３ａに接続されている。電極３３ａは、例えばアノードである。窒化物発光素子１１は、基板３５を含む。基板３５の主面３５ａ上には、第１導電型の窒化物半導体層１３、活性層１７及び第２導電型の窒化物半導体層１５が搭載されている。基板３５の裏面３５ｂ上には、別の電極３３ｂが設けられており、電極３３ｂは、例えばカソードである。

基板３５の主面３５ａは、六方晶系の材料から成る極性面であることができる。この窒化物発光素子１１は、極性面上に作製される発光素子に好適である。或いは、基板３５の主面３５ａは六方晶系の材料から成る半極性面であることができる。この窒化物発光素子は、半極性面上に作製される発光素子に好適である。いずれの場合でも、基板３５は、例えば六方晶系の材料から成ることができる。

基板３５の六方晶系の材料はＧａＮからなることができる。この窒化物発光素子によれば、低転位の基板が提供される。或いは、基板３５の六方晶系の材料はＩｎＧａＮからなることができる。この窒化物発光素子によれば、活性層におけるＩｎＧａＮと基板との格子不整を縮小できる。

必要な場合には、窒化物発光素子１１は、第１及び第２の光ガイド層を更に備えることができる。第１の光ガイド層は、第１導電型窒化物半導体層１３と活性層１７との間に設けられる。第２の光ガイド層は、活性層１７と第２導電型窒化物半導体層２３との間に設けられる。第１の光ガイド層はＩｎ_ＵＧａ_１−ＵＮ（０＜Ｕ＜１）からなり、第２の光ガイド層はＩｎ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０＜Ｖ＜１）からなることができる。ＩｎＧａＮ基板を用いるときに、光ガイド層及び活性層における平均インジウム組成を高めることができる。

図４は、本実施の形態に係る別の窒化物発光素子の活性層の構造を概略的に示す図面である。図４を参照すると、別の窒化物発光素子１１ａが示されている。窒化物発光素子１１ａでは、活性層１７ａは、一または複数のＩｎＧａＮ領域（例えば、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ）を含む。ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃの各々は、単一の極大値を含むインジウムプロファイルＰ_Ｉｎ１を有する。ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃの各々はＩｎＧａＮ領域１８と同様な構造を有することができるが、このことは、ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃの各々がＩｎＧａＮ領域１８と同一の構造を有することを要求するものではない。ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃの間には、障壁層２９ｃが設けられている。ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃは、第１導電型窒化物半導体層１３と第２導電型窒化物半導体層１５との間に設けられている。ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び障壁層２９ｃは交互に配列されている。障壁層２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃへのキャリア閉じ込めを強化することができる。活性層１７ａは、複数の極大値を含むインジウムプロファイルＰ_Ｉｎを有する。既に説明したように、障壁層２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、ＧａＮからなることができ、このとき、インジウムプロファイルＰ_Ｉｎは障壁層２９ａ、２９ｂ、２９ｃにおいてゼロである。このインジウムプロファイルＰ_Ｉｎは、伝導帯Ｇ_Ｃ１及び価電子帯Ｇ_Ｖ１によって示される多重量子井戸構造を活性層１７ａに提供している。ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃの各々のＩｎ組成の極大値をあまり大きくしなくても、ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃは、障壁層２９ｃによって互いに分離される。つまり、極大値の間の領域におけるＩｎ組成の減少と障壁層とにより、ＩｎＧａＮ領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃの個々における量子準位が分離可能である。

図５は、本実施の形態に係る更なる別の窒化物発光素子の活性層の構造を概略的に示す図面である。図５を参照すると、別の窒化物発光素子１１ｂが示されている。窒化物発光素子１１ｂでは、活性層１７ｂは、一または複数のＩｎＧａＮ領域（例えば、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ）を含む。ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃの各々は、単一の極大値を含むインジウムプロファイルＰ_Ｉｎ２を有する。ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃのインジウム組成における極大値と、これら複数の極大値（Ｓ_ＭＡＸ１、Ｓ_ＭＡＸ２、Ｓ_ＭＡＸ３）の間に設けられインジウムプロファイルＰ_Ｉｎ２におけるＩｎ組成の減少とにより、ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃの個々における量子準位が分離可能である。ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃの各々はＩｎＧａＮ領域１８と同様な構造を有することができるが、このことは、ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃの各々に厳格にＩｎＧａＮ領域１８と同一の構造を要求するものではない。ＩｎＧａＮ領域４３ａは、ＩｎＧａＮ領域４３ｂに隣接しており、ＩｎＧａＮ領域４３ｂは、ＩｎＧａＮ領域４３ｃに隣接している。ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、第１導電型窒化物半導体層１３と第２導電型窒化物半導体層１５との間に設けられている。インジウムプロファイルＰ_Ｉｎが、障壁層２９ａ、２９ｂ、２９ｃの成長のために温度を変更することなく形成されることができる。このインジウムプロファイルＰ_Ｉｎは、明示的な障壁層の形成を行わずに、伝導帯Ｇ_Ｃ２及び価電子帯Ｇ_Ｖ２によって示される多重量子井戸構造を活性層１７ｂに提供できる。また、ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃの各々のＩｎ組成の極大値を大きくして井戸を深くすることができる。また、ＩｎＧａＮ領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃの隣接により、素子抵抗が下がり動作電圧が下がるという利点がある。活性層１７ｂは、ＩｎＧａＮ領域４３に加えて、障壁層２９ａ、２９ｂを含むことができる。ＩｎＧａＮ領域４３は、障壁層２９ａと障壁層２９ｂとの間に設けられている。障壁層２９ａ、２９ｂによりキャリアの閉じ込めを強くできるという利点がある。

（実施例１）
図６は、発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程Ｓ１０１において、極性面または半極性面を有する窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板を準備する。この基板は、例えばＧａＮウエハまたはＩｎＧａＮウエハであることができる。引き続く説明では、ｃ面から１０〜３０度のオフ角をつけた、半極性面を有するｎ型ＧａＮウエハを用いる。このＧａＮウエハ上に有機金属気相成長法によって、窒化ガリウム系半導体膜を成長する。製造工程におけるエピタキシャル膜は、例えば有機金属気相成長法により作製される。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ_３）を用い、またドーパントしてシラン（ＳｉＨ_４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を用いる。

ＧａＮウエハを成長炉にセットした後に、工程Ｓ１０２では、ＧａＮウエハのサーマルクリーニングを行う。このために、成長炉に水素及びアンモニアを供給する。熱処理温度は、例えば摂氏１０５０度である。工程Ｓ１０３では、バッファ層を成長する。このバッファ層は、また例えばｎ型ＡｌＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏１１００度であり、Ａｌ組成は例えば０．１２であることができる。ｎ型ＡｌＧａＮのドーパント濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｎ型ＡｌＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。

工程Ｓ１０４では、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長する。このｎ型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｎ型コンタクト層であり、また例えばｎ型ＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏１０００度であることができる。ｎ型ＧａＮのドーパント濃度は、例えば２×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｎ型ＧａＮの膜厚は、例えば２０００ｎｍであることができる。

工程Ｓ１０５では、活性層を成長する。まず、工程Ｓ１０６では、必要な場合には、明示的な障壁層を形成する。障壁層の成長温度は、例えば摂氏８６０度であり、障壁層は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなることができる。次いで、工程Ｓ１０７において、摂氏７６０度の温度で、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ領域を成長する。傾斜組成のために、インジウム原料ＴＭＩｎの流量を連続的に変化する。例えばＩｎ組成Ｘ＝０から０．２５まで増加させた後に、Ｉｎ組成Ｘ＝０．２５から０まで減少させる。これによって、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ領域は、単一の極大値をとるインジウムプロファイルを有するように成長される。Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ領域のインジウム組成は、当該Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ領域の全体にわたって変化している。ＩｎＧａＮ領域の成長ために、摂氏７８０度以下の成長温度が好ましい。また、摂氏７４０度以上の成長温度が好ましい。井戸のＩｎＧａＮ領域の厚さは、例えば２０ｎｍであることができる。工程Ｓ１０８では、ＩｎＧａＮ領域を繰り返して行う。このように、インジウム原料ＴＭＩｎの流量を変化して、Ｉｎ組成における３つの極大値を有するインジウムプロファイルを有するＩｎＧａＮ領域を成長する。繰り返しの回数は、例えば２から５が好ましい。この範囲の井戸数で注入効率が最大となるからです。なお、全ての井戸の厚さを同一にすることは必要ない。Ｉｎ原料の流量を一定に保ちながらＩｎ組成の低いＩｎＧａＮを成長することもできる。成長中にＩｎ組成を変化させてインジウムプロファイルの変調を与える。必要な場合には、ＩｎＧａＮ領域と形成と障壁層の形成を交互に行うことができる。

工程Ｓ１０９では、電子ブロック層を活性層上に成長する。この電子ブロック層は、例えばｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏１１００度であり、Ａｌ組成は例えば０．１８であることができる。ｐ型ＡｌＧａＮのドーパント濃度は、例えば５×１０^１７ｃｍ^−３であり、ｐ型ＡｌＧａＮの膜厚は、例えば２０ｎｍであることができる。

工程Ｓ１１０では、電子ブロック層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する。このｐ型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｐ型コンタクト層であることができる。また、ｐ型コンタクト層は、例えばｐ型ＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏１０００度であることができる。ｐ型ＧａＮのドーパント濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｐ型ＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。工程Ｓ１１１では、アノード電極をｐ型コンタクト層上に形成する。アノード電極は、例えばＮｉ／Ａｕ透明電極である。ウエハの裏面研削を行った後に、この裏面にカソード電極を形成する。カソード電極は、例えばＡｌ電極である。

図７は、上記の工程によって作製された発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造を概略的に示す図面である。
・このＬＥＤの電気的特性は以下のものである。
発光ピーク波長：５３５ｎｍ（駆動電流、２０ｍＡ）
光出力：３ｍＷ（駆動電流、２０ｍＡ）
ブルーシフト量：１０ｎｍ（駆動電流１ｍＡから２０ｍＡへ）。
・矩形井戸を有する発光ダイオードの電気的特性は以下のものである。
発光ピーク波長：５２５ｎｍ（駆動電流、２０ｍＡ）
光出力：２ｍＷ（駆動電流、２０ｍＡ）
ブルーシフト量：３０ｎｍ（駆動電流１ｍＡから２０ｍＡへ）。

（実施例２）
半導体レーザを作製した。まず、極性面または半極性面を有する窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板を準備する。この基板は、例えばＧａＮウエハまたはＩｎＧａＮウエハであることができる。引き続く説明では、実施例１と同様に、ｃ面から１０〜３０度のオフ角をつけた、半極性面を有するｎ型ＧａＮウエハを用い、このＧａＮウエハ上に有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系半導体膜を成長する。

ＧａＮウエハを成長炉にセットした後に、実施例１と同様に、ＧａＮウエハのサーマルクリーニングを行う。次いで、一または複数のｎ型窒化ガリウム系半導体層を成長する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層の一つは、例えばクラッド層であることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｎ型ＡｌＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏１１５０度であり、Ａｌ組成は例えば０．０４であることができる。ｎ型ＡｌＧａＮのドーパント濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｎ型ＡｌＧａＮの膜厚は、例えば２３００ｎｍであることができる。この後に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層として、クラッド層上にｎ型ＧａＮ層を成長する。成長温度は、例えば摂氏１１５０度であることができる。ｎ型ＧａＮのドーパント濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３であり、ｎ型ＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。

ｎ型ＧａＮ上に、光ガイド層を成長する。光ガイド層は、例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏８６０度であり、Ｉｎ組成は例えば０．０５であることができる。アンドープＩｎＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。

この後に、実施例１と同様に活性層を成長する。次いで、活性層上に、光ガイド層を成長する。光ガイド層は、例えばアンドープＩｎＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏８６０度であり、Ｉｎ組成は例えば０．０５であることができる。アンドープＩｎＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。

光ガイド層上にＧａＮ層を成長する。このＧａＮ層は、例えばアンドープであることができる。成長温度は、例えば摂氏１１００度であることができる。アンドープＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。

アンドープＧａＮ層上に、一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層の一つは、ｐ型電子ブロック層である。このｐ型電子ブロック層のＡｌ組成は、例えば０．１８であることができる。成長温度は、例えば摂氏１１００度であることができる。このＡｌＧａＮの膜厚は、例えば２０ｎｍであることができる。

ｐ型電子ブロック層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層としてｐ型クラッド層を成長する。このｐ型クラッド層は例えばｐ型ＡｌＧａＮからなることができ、そのＡｌ組成は、例えば０．０６であることができる。成長温度は、例えば摂氏１１００度であることができる。このＡｌＧａＮの膜厚は、例えば４００ｎｍであることができる。

ｐ型クラッド層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層としてｐ型コンタクト層を成長する。このｐ型コンタクトは、例えばｐ型ＧａＮからなることができる。成長温度は、例えば摂氏１１００度であることができる。ｐ型ＧａＮのドーパント濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３であり、ｐ型ＧａＮの膜厚は、例えば５０ｎｍであることができる。

ｐ型コンタクト層上にアノード電極を形成する。アノード電極は、例えばニッケル・金電極である。ウエハの裏面研削を行った後に、この裏面にカソード電極を形成する。カソード電極は、例えばアルミ電極である。

図８は、上記の工程によって作製された半導体レーザ（ＬＤ）の構造を概略的に示す図面である。
・このＬＤの電気的特性は以下のものである。
発振波長：５２５ｎｍ（連続発振）
閾値電流：８００ｍＡ。

長波長の発光のための発光素子では、活性層内に高いＩｎ濃度のＩｎＧａＮ層を用いる。大きなＩｎ組成のＩｎＧａＮとＧａＮとの格子定数差は大きい。このため、良好な結晶品質の活性層を成長することは容易ではない。結晶品質の低下により、発光強度は低下する。また、大きなＩｎ組成によりＩｎＧａＮ井戸層のひずみが大きくなるので、圧電効果による発光効率の低下が顕著になる。発光強度の増大のために更に電圧を印加するとき、圧電効果の影響は減少するが、発光波長が短波長領域にシフトする。

本件の実施の形態に係る発光阻止では、以上説明したように、ＩｎＧａＮ井戸内のＩｎ濃度を徐々に変化させることによって、井戸内にＩｎ組成の極大を設ける。大きなＩｎ組成の領域は、電子及び正孔の波動関数の広がり程度（例えば、１．５〜２ｎｍ）であることが好ましい。高いＩｎ濃度のＩｎＧａＮ領域を薄くできるので、結晶品質の低下を防ぐことができ、また高Ｉｎ組成による高い歪みを内包する領域の総厚を薄くできる。井戸の極大付近において電子及び正孔の波動関数の振幅が大きいので、圧電効果によって発生されるバンドの曲がりによる、発光効率の低下と発光波長の短波長領域へのシフトとを低減できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、長波長の光を発光する活性層内における発光効率及びブルーシフトを低減可能な窒化物発光素子が提供される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

活性層における組成傾斜により、段階的に又は連続的にＩｎ組成を制御して、Ｉｎ組成の異なる窒化ガリウム系半導体層の歪みを緩和でき、これによる結晶品質の向上が可能である。キャリアを閉じ込める井戸に組成傾斜を適用することにより、歪みの緩和に加えて、長波長発光の発光素子に使用される高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮの圧電効果を抑制できる。例えば発光波長の短波長化や発光効率の低下を抑制できる。電界印加による短波長化はエネルギーバンド構造の井戸内で電子と正孔の分布が分離することによって引き起こされ、電子と正孔の再結合確率が減少する。この低下は、井戸の厚みを小さくすることによりある程度抑えることが可能である。しかしながら、井戸の厚みの減少により発光波長は短波長領域にシフトするので、長波長の発光が得られない。井戸の厚さを増加して長波長の発光を得ることができるけれども、井戸の厚さの増加により結晶品質が低下して発光強度が低下する。

本実施の形態では、井戸の中心部にインジウム組成の極大濃度を持つ組成傾斜井戸構造により、歪緩和に加え、発光波長を決める高Ｉｎ濃度のＩｎＧａＮ領域を井戸内において薄くでき、井戸全体の厚さを厚くしても結晶品質の低下を抑制できる。

また、この組成傾斜構造により発光領域を井戸内に部分的に限定することによって、圧電効果による電界が加わり電子及び正孔の分布の分離を低減され、発光効率の低下が避けられると共に、発光波長が短波長領域へシフトすることも抑制できる。

図１は、本実施の形態に係る窒化物発光素子の構造を概略的に示す図面である。 図２は、単一の極大値をとるインジウムプロファイルを有するＩｎＧａＮ領域のポテンシャル形状と波動関数を示す図面である。 図３は、井戸型のインジウムプロファイルを有するＩｎＧａＮ領域のポテンシャル形状と波動関数を示す図面である。 図４は、本実施の形態に係る別の窒化物発光素子の活性層の構造を概略的に示す図面である。 図５は、本実施の形態に係る更なる別の窒化物発光素子の活性層の構造を概略的に示す図面である。 図６は発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図７は実施例１の発光ダイオードの構造を概略的に示す図面である。 図８は実施例２の半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。

符号の説明

１１…窒化物発光素子、１３…第１導電型の窒化物半導体層、１５…第２導電型の窒化物半導体層、１７…活性層、１８…ＩｎＧａＮ領域、１８ａ、１８ｂ…ＩｎＧａＮ領域の部分、２１…電子ブロック層、２３…ｐ型コンタクト層、２５…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、２７…ｎ型窒化ガリウム系半導体バッファ層、２９ａ、２９ｂ、２９ｃ…障壁層、３３ａ、３３ｂ…電極、３５…基板、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ…ＩｎＧａＮ領域、φＧ_１、φＧ_２、φＧ_３、φＧ_４…電子の波動関数、φＨ_１、φＨ_２、φＨ_３、φＨ_４…正孔の波動関数、Ｚ_ＭＡＸ…位置、Ｐ_Ｉｎ、Ｐ_Ｉｎ２…インジウムプロファイル、Ｓ_ＭＡＸ、Ｓ_ＭＡＸ１、Ｓ_ＭＡＸ２、Ｓ_ＭＡＸ３…インジウムプロファイルの極大値、Ｓ_ＭＩＮ１、Ｓ_ＭＩＮ２…インジウムプロファイルの極小値、

Claims (16)

1. 第１導電型窒化物半導体層と、
   第２導電型窒化物半導体層と、
   前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられた活性層と
   を備え、
   前記第１導電型窒化物半導体層、前記活性層及び前記第２導電型窒化物半導体層は、所定の軸に沿って配置されており、
   前記活性層は第１のＩｎＧａＮ領域を含み、
   前記第１のＩｎＧａＮ領域は、単一の極大値をとるインジウムプロファイルを有しており、
   前記第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、当該第１のＩｎＧａＮ領域の全体にわたって変化している、ことを特徴とする窒化物発光素子。
2. 前記第１のＩｎＧａＮ領域は、第１の部分と第２の部分とを含み、
   前記第１の部分は、前記第１導電型窒化物半導体層及び前記第２導電型窒化物半導体層の一方から他方への方向に前記極大値まで増加するように傾斜するインジウムプロファイルを有しており、
   前記第２の部分は、前記方向に前記極大値から減少するように傾斜するインジウムプロファイルを有しており、
   前記第１のＩｎＧａＮ領域は前記活性層の井戸層に含まれる、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物発光素子。
3. 前記第１のＩｎＧａＮ領域のインジウムプロファイルは、前記第１導電型窒化物半導体層及び前記第２導電型窒化物半導体層の一方から他方への方向に増加するように傾斜する領域を含む、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物発光素子。
4. 前記活性層は、単一の極大値を含むインジウムプロファイルを有する第２のＩｎＧａＮ領域を含み、
   前記第２のＩｎＧａＮ領域は、前記第１導電型窒化物半導体層と前記第１のＩｎＧａＮ領域との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
5. 前記第１のＩｎＧａＮ領域は前記第２のＩｎＧａＮ領域と隣接している、ことを特徴とする請求項４に記載された窒化物発光素子。
6. 前記活性層は第１及び第２の障壁層を含み、
   前記第１のＩｎＧａＮ領域は、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
7. 前記活性層は、第１〜第３の障壁層を含み、
   前記活性層は、単一の極大値を有するインジウムプロファイルを有する第２のＩｎＧａＮ領域を含み、
   前記第１のＩｎＧａＮ領域は、前記第１の障壁層と前記第２の障壁層との間に設けられ、
   前記第２のＩｎＧａＮ領域に、前記第２の障壁層と前記第３の障壁層との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
8. 前記第１及び第２の障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載れた窒化物発光素子。
9. 前記第１のＩｎＧａＮ領域におけるインジウム組成の最大値は０．１以上０．３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
10. 前記活性層は、４５０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下の範囲の波長領域内にピーク強度を有する光を発生するように設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
11. 前記活性層はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
12. 前記第１導電型窒化物半導体層、前記第２導電型窒化物半導体層、及び前記活性層を搭載する基板を更に備え、
    前記基板は六方晶系の材料から成る極性面を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
13. 前記第１導電型窒化物半導体層、前記第２導電型窒化物半導体層、及び前記活性層を搭載する基板を更に備え、
    前記基板は六方晶系の材料から成る半極性面を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化物発光素子。
14. 前記基板はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載された窒化物発光素子。
15. 前記基板はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載された窒化物発光素子。
16. 前記第１導電型窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられた第１の光ガイド層と、
    前記活性層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられた第２の光ガイド層と
    を更に備え、
    前記第１の光ガイド層はＩｎ_ＵＧａ_１−ＵＮ（０＜Ｕ＜１）からなり、
    前記第２の光ガイド層はＩｎ_ＶＧａ_１−ＶＮ（０＜Ｖ＜１）からなる、ことを特徴とする請求項１５に記載された窒化物発光素子。

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