JP2011029218A - 窒化物半導体発光素子構造とその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電流密度駆動でも高い発光効率を生じ得る窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子構造は、１以上のｎ型層（１２）と１以上のｐ型層（１４、１５）との間に発光層（１３）を含み、この発光層は１以上の量子井戸層を含み、少なくとも１の井戸層は、相対的に小さなバンドギャップを有する第１種サブ井戸層（１３ａ₁、１３ａ₂）の２以上と、これら第１種サブ井戸層に挟まれかつ相対的に大きなバンドギャップを有する第２種サブ井戸層（１３ａ₂）の１以上とを含み、各第２種サブ井戸層は４ｎｍ以下の厚さを有していて結晶性回復層として機能し、第１種サブ井戸層の合計厚さは４ｎｍよりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特に、電流密度の大きい領域で高い発光効率を有する窒化物半導体発光素子構造とその形成方法に関する。

窒化物半導体発光素子の課題の一つとして、電流密度を上げたときの発光効率の低下がある。例えば、窒化物半導体発光素子について一般照明などの用途を考えるとき、発光素子のチップの単価を下げるために、より小さな素子チップで必要光量を得ることが望まれる。この場合に。発光素子が高い電流密度で駆動され得ることが要求され、この要求を満たすことが窒化物半導体発光素子の普及のたに不可避な課題である。

窒化物半導体発光素子の電流密度を上げたときの発光効率低下の要因として、発光層中のキャリア密度の上昇によるオージェ非発光再結合確率の増加、電子と正孔の有効質量の差による電子のｐ型層領域へのリークなどが挙げられている。先行技術文献（特許文献１〜３参照）によれば、発光層の厚さを大きくすることによって、実効的に発光層中のキャリア密度を下げることができて、発光効率低下の課題が解決できるとされている。

特開２００５−３１１３７５号公報 特開２００６−２２９２４２号公報 特開２００７−０６７４１８号公報

発光層の厚さを増大させた場合に生じる課題として、発光層の結晶性の悪化がある。窒化物半導体発光素子の場合、一般にＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層に接して発光層が形成されるので、（通常ではＩｎを添加して）発光層のバンドギャップを小さくするほどその臨界膜厚が小さくなり、より小さな膜厚においても格子緩和のために格子欠陥（界面転位：ミスフィット転位）が発生する。

また、一般に商品化されている青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤなどでは一般にＩｎＧａＮが発光層に利用されており、このＩｎＧａＮ層は臨界膜厚以下であってもＩｎＮの格子定数はＧａＮのそれに比べて大きいため、圧縮歪を内包しているので、層厚ゆらぎやＩｎ偏析が生じやすく、結果として結晶性の悪化を招きやすい。また、ＩｎＧａＮ発光層からは、ｐ型層領域への電子リークが生じやすい。

上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明の目的は、高電流密度駆動においても高い発光効率を生じ得る窒化物半導体発光素子を提供することである。

本発明による窒化物半導体発光素子構造は、発光層を含み、この発光層は１以上の量子井戸層を含み、少なくとも１の井戸層は、相対的に小さなバンドギャップを有する第１種サブ井戸層の２以上と、これら第１種サブ井戸層に挟まれかつ相対的に大きなバンドギャップを有する第２種サブ井戸層の１以上とを含み、各第２種サブ井戸層は４ｎｍ以下の厚さを有していて結晶性回復層として機能し、第１種サブ井戸層の合計厚さは４ｎｍよりも大きいことを特徴としている。

本発明によれば、窒化物半導体発光素子中の発光層の厚さを大きくしてもその高い結晶品質を実現することができ、また発光層からｐ型層への電子リークを小さくすることができ、その結果として高い電流密度駆動に適した窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子における窒化物半導体積層を示す模式的断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を示す模式的断面図である。 窒化物半導体井戸層が均一層で形成されている場合のキャリア分布を示す模式的なエネルギバンド図である。 窒化物半導体井戸層が異なるバンドギャップを有する複数のサブ井戸層を含む場合のキャリア分布を示す模式的なエネルギバンド図である。

図１に示されているように、本発明による窒化物半導体発光素子の作製においては、基板１上に少なくともｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体発光層３、およびｐ型窒化物半導体層４を結晶成長させる。基板１の材料としては、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどから選択することができる。ｎ型窒化物半導体層２はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で形成され、低温バッファ層やアンドープ層を含んで形成されてもよく、そのドーパントはＳｉ、Ｇｅなどから選択され得る。発光層３は発光を生じる１以上の量子井戸層を含んでいる。少なくとも１の井戸層は、第１種サブ井戸層の２以上と、これら第１種サブ層に挟まれた第２種サブ井戸層の１以上とを含んでいる。この第２種サブ井戸層は、結晶性回復層として機能する。井戸層の組成に関しては、発光波長に応じてＩｎ組成比などが設計されるが、井戸層の材料としてＩｎＧａＮが好ましく用いられ得る。

結晶性回復層として機能する第２種サブ井戸層は、高い平坦性と小さな結晶欠陥密度を有することが望ましく、この観点からは第１種サブ井戸層に比べて大きなバンドギャップを有することが好ましい。具体的には、第２種サブ井戸層は、第１種サブ井戸層に比べて小さなＩｎ組成比のＩｎＧａＮであることが望ましい。そして、第２種サブ井戸層としては、III族元素中のＩｎ組成が５原子％以下であることが好ましく、Ｉｎ組成が０原子％のＧａＮが用いられてもよい。第２種サブ井戸層として最も好ましいのは、ドーピングレベルでＩｎを含むＧａＮ（ＩｎドープＧａＮ）である。このドーピングレベルとは、１原子％オーダー以下の濃度を意味している。また、このドーピングレベルの下限は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であることが好ましい。このようなドーピングレベル範囲の濃度のＩｎは、ＧａＮに対してサーファクタントとして働き、結晶性回復層として機能する第２種サブ井戸層の表面平坦性の向上に寄与する。

結晶性回復層として機能する第２種サブ井戸層の厚さは、４ｎｍ以下であることが望まれる。第２種サブ井戸層の厚さが４ｎｍ以下の場合、この層を挟んで互いに隔てられた２つの第１種サブ井戸層同士の量子準位がカップリングし、あたかも一つの第１種サブ井戸層であるかのように振舞うことができる。すなわち、第２種サブ井戸層によって高い結晶性を保ちつつ、より大きな厚さの井戸層を実現することができるため、結晶性回復層を含まない一層の井戸層を厚く形成するよりも高い結晶性を実現することができる。第２種サブ井戸層は、その平坦性が高くかつ結晶欠陥が少ない場合ほど薄くすることができ、２ｎｍ以下または１ｎｍ以下の厚さであっても結晶性回復層として機能し得る。第２種サブ井戸層のＩｎ組成比を小さくしてその厚さを小さくすることによって、Ｉｎ組成比の大きな第１種サブ井戸層から長波長の発光を得ることができる。第２種サブ井戸層で互いに隔てられた第１種サブ井戸層の各々の厚さは５ｎｍ以下であることが好ましく、このことは結晶欠陥が少なくかつ平坦性の高い井戸層を得て高い発光効率を実現することに寄与し得る。

井戸層内において、結晶性回復層として含まれる第２種サブ井戸層は、１層でもよいし２層以上であってもよい。井戸層の直下の層および直上の層は、ＩｎドープＧａＮ層であることが好ましい。このことは、井戸層において高い平坦性と界面急峻性を得ることに寄与し、より高い結晶性の井戸層が得やすくなる。

また、発光層は、複数の井戸層を含むこともできる。この場合、井戸層間には障壁層が形成され、障壁層の厚さを４ｎｍ以上にすることによって、高い発光効率を得ることができる。井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が形成される場合、正孔は電子よりも重い有効質量を持つので拡散長が短く、ｐ型層側に電子キャリアが偏る傾向にある。したがって、各井戸層が第１種サブ井戸層と第２種サブ井戸層を含むこともできるが、１つの井戸層のみが第１種サブ井戸層と第２種サブ井戸層を含む場合には、その１つの井戸層はｐ型層側に最も近く形成されることが好ましい。

前述のＩｎドープＧａＮ層は、有機金属気相成長法において、トリメチルインジウムまたはトリエチルインジウムをその層の成長前、成長中、または成長後に微量供給することによって実現され得る。

有機金属気相成長法において、第１種サブ井戸層に関しては、その成長前、成長後、または第２種サブ井戸層との間にトリメチルインジウムまたはトリエチルインジウムを微量供給することでよって、高い平坦性を実現することができる。また、第１種サブ井戸層の成長後または第２種サブ井戸層の成長との間に水素を添加することによって、内部エネルギが高い格子欠陥を多く含む部分をエッチングして、良好な結晶性を有する第１種サブ井戸層を得ることができる。

第２種サブ井戸層としてＩｎドープＧａＮを採用する場合には、有機金属気相成長法では、トリメチルインジウムまたはトリエチルインジウムをその層の成長前、成長中、または成長後に微量供給することによって実現することができる。また、水素含有キャリアガスを使用することによって、結晶欠陥を多く含む部分をエッチングしながら第２種サブ井戸層を結晶成長させることができ、高い結晶性を有する第２種サブ井戸層を得ることができる。比較的高い基板温度で第２種サブ井戸層を成長させることも、その結晶性を改善する観点から好ましい。

ｐ型窒化物半導体層４はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で形成され、そのドーパントはＭｇ、Ｚｎなどから選択され得る。特に、ｐ型窒化物半導体層４中において発光層３に近接してＡｌＧａＮ層を形成することにより、これがキャリアブロック層として機能して電子キャリアのリークを防ぎ、より大きな厚さの井戸層との組み合わせにおいて相対的なバリア高さを増大させることができる。また、このＡｌＧａＮ層をキャリアブロック層として働かせるためには、ｐ型ドーパント濃度を１×１０¹⁹／ｃｍ³以上に高めることによって、フェルミエネルギを価電子帯に近づけて伝導帯ポテンシャルを真空準位方向に上げてやることが効果的である。ｐ型ドーパントとしては、活性化エネルギの観点からＭｇが適している。

井戸層の結晶品質を第２種サブ井戸層で高めてやることによって、井戸層内へキャリアを２次元的に均一に注入することが可能になって、井戸層内の実効的なキャリア密度を下げてオージェ非発光再結合確率を小さくすることとができ、またＡｌＧａＮキャリアブロック層によってｐ型層内への電子キャリアのリークを小さくすることができ、その結果として高い電流密度において発光効率の低下の少ない発光素子を実現することができる。

なお、基板１としては、ｃ面の主面を有するサファイヤ基板が安価であって、高い結晶品質の窒化物半導体層を成長させ得る点で好ましい。サファイアのような絶縁基板を用いる場合における正負の電極形成に関しては、例えばｐ型窒化物半導体４上に電流拡散層を介して正電極を形成し、ｐ型窒化物半導体層４側からエッチングしてｎ型窒化物半導体層２を部分的に露出させ、その露出領域上に負電極を形成することができる。他方、ｎ型ＧａＮやｎ型ＳｉＣのような導電性基板の場合は、ｐ型窒化物半導体４上に電流拡散層を介して正電極を形成し、基板１の裏面上に負電極を形成することができる。

（実施例１）
本発明の実施例１においては、図２に示す窒化物半導体発光ダイオード素子が作製される。まず、サファイア基板１１が有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置の反応炉内にセットされる。そして、その反応炉内に水素を流しながら基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、基板１１の主面（ｃ面）のクリーニングを行なう。

その後、基板１１の温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとしての水素、および原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流して、基板１１の主面上に約２０ｎｍ厚さのＧａＮバッファ層を堆積させる。

次いで、基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ、および不純物ガスとしてのシランを反応炉内に流して、Ｓｉがドーピングされた厚さ６μｍのｎ型ＧａＮ下地層（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）をバッファ層上に積層する。

続いて、キャリア濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型ＧａＮ下地層の場合と同様にして、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層をｎ型ＧａＮ下地層上に積層する。

以上のようにして、ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮ下地層、およびｎ型ＧａＮコンタクト層を含むｎ型窒化物半導体層１２が形成される。

その後、基板１１の温度を７００℃に設定し、キャリアガスとしての窒素と、原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）とを反応炉内に流して、厚さ４ｎｍのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層（第１種サブ井戸層）１３ａ₁、所定の厚さとＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層（第２種サブ井戸層：結晶性回復層）１３ａ₂、および厚さ４ｎｍのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層（第１種サブ井戸層）１３ａ₃を順次成長させることによって発光層１３を形成する。

続いて、基板１１の温度を７００℃に維持したままで、キャリアガスとしての窒素、および原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧを反応炉内に流して、発光層１３上に、蒸発防止層１４として厚さ１５ｎｍのＧａＮ層を形成する。

その後、基板１１の温度を９５０℃に上昇させ、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、さらに不純物ガスとしてのＣＰ₂Ｍｇを反応炉内に流して、１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でＭｇドーピングされた約２０ｎｍ厚さのｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎキャリアブロック層を蒸発防止層１４上に積層する。

続いて、基板１１の温度を９５０℃に保持し、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ、および不純物ガスとしてのＣＰ₂Ｍｇを反応炉内に流して、１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でＭｇドーピングされた厚さ８０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層をｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎキャリアブロック層上に積層する。

こうして、ｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎキャリアブロック層とｐ型ＧａＮコンタクト層を含むｐ型窒化物半導体層１５が形成される。

その後、基板１の温度を７００℃に低下させ、上述のように積層された複数の窒化物半導体層を含むウエハが、反応炉内に窒素を流しながらアニーリングされる。

このアニーリングの後にウエハが反応炉から取り出され、ｐ型窒化物半導体層１５に含まれるｐ型ＧａＮコンタクト層上に、ＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）からなる厚さ１００ｎｍの透光性電極１６がＥＢ（電子ビーム）蒸着によって形成される。ＩＴＯ電極１６上には所定のパターンのマスクが形成され、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってｎ型ＧａＮコンタクト層が部分的に露出される。そして、透光性電極１６上の所定位置とｎ型ＧａＮコンタクト層の露出領域上の所定位置とにおいて、ＴｉとＡｌを含むパット電極１７、１８がそれぞれ形成される。こうして、図２に示されているようなＬＥＤ（発光ダイオード）素子が得られる。

本実施例１のＬＥＤ素子においては、結晶性回復層としての第２種サブ井戸層１３ａ₂の厚さを４ｎｍ以下にすることによって、この第２種サブ井戸層を挟んで隔てられかつ各々が４ｎｍの厚さを有する２つの第１種サブ井戸層（Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層）１３ａ₁、１３ａ₃の量子準位がカップリングして１つの第１種サブ井戸層のごとく振舞うことができ、その結果として高い電流密度において発光効率低下の少ない発光素子を実現することができる。

ここで、図３の模式的なエネルギバンド図は井戸層１３が均一層で形成されている場合のキャリア分布を示しており、図４の模式的なエネルギバンド図は井戸層１３が異なるバンドギャップを有する複数のサブ井戸層１３ａ₁、１３ａ₂、１３ａ₃を含む場合のキャリア分布を示している。これらの図において、符合ＥｖとＥｃはそれぞれ価電子帯の上限レベルと伝導帯の下限レベルを表しており、ｅとｈはそれぞれ電子とホールの濃度分布曲線を表している。ただし、電子の分布曲線ｅではそのピーク部において電子濃度が高く、ホールの分布曲線ｈではその谷部において濃度が高いことを表している。

一般に、異なる組成の窒化物半導体層がｃ面に垂直な方向に積層されている場合、それらの層間の歪みに起因してピエゾ電界が発生し得る。そして、発光層内においてそのようなピエゾ電界が生じている場合には、その発光層内で電子とホールが空間的に分離されることがある。例えば、図３に示されているように発光層１３内でピエゾ電界による電界傾斜が生じている場合、電子がｐ型層側に偏在しかつホールがｎ型層側に偏在しやすくなる。この場合、電子とホールが発光再結合する確率が低下して発光効率が低下する。

しかし、本発明におけるように発光層１３が第２種サブ井戸層１３ａ₂で分離された第１種サブ井戸層１３ａ₁、１３ａ₂を含んでいる場合、これらの第１種サブ井戸層内における電子とホールとの空間分離の距離が小さくなり、電子とホールが発光再結合する確率が高まって発光効率が向上し得る。

なお、結晶性回復層である第２種サブ井戸層１３ａ₂におけるIII族元素中のＩｎ組成は５原子％以下であることが好ましく、０原子％のＧａＮであってもよく、Ｉｎを１原子％以下で含むＧａＮであることが最も好ましく（このときＩｎはＧａＮに対してサーファクタントとして働く）、これによって高い発光効率を実現することができる。例えばＩｎを１原子％以下で含むＧａＮ層のように平坦性が高い場合には、第２種サブ井戸層１３ａ₂の厚さを４ｎｍよりも薄く設計することができ、２ｎｍ以下または１ｎｍ以下にすることも可能になる。結晶性回復層としての第２種サブ井戸層の厚さを薄くすることによって、より小さなＩｎ組成比を有する第１種サブ井戸層でより長い波長の発光が可能となり、より高い発光効率を実現することができる。さらに、前述のｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎキャリアブロック層をｐ型窒化物半導体層１５内に形成することにより、発光層１３からの電子キャリアのリークを防ぎ、高い電流密度において発光効率の低下の少ない発光素子を実現することができる。

（実施例２）
本発明の実施例２は、実施例１に比べて、結晶性回復層としての第２種サブ井戸層１３ａ₂の成長条件が変更されたことのみにおいて異なっている。具体的には、本実施例２における第２種サブ井戸層をＭＯＣＶＤで形成する場合には、キャリアガスとして水素と窒素の混合ガスを用い、ＴＭＧ、微量のＴＭＩ、およびアンモニアが供給される。こうして、２ｎｍの厚さと０．５原子％のＩｎ組成を有するＧａＮの第２種サブ井戸層が形成される。

本実施例２のＬＥＤ素子においては、結晶性回復層としての第２種サブ井戸層１３ａ₂の結晶欠陥を低減できかつ平坦性を高めることができ、このことによって、より高い発光効率を実現することができる。

（実施例３）
本発明の実施例３は、実施例２に比べて、結晶性回復層としての第２種サブ井戸層１３ａ₂の形成条件が変更されたことのみにおいて異なっている。具体的には、実施例２の場合と同様に２ｎｍの厚さと０．５原子％のＩｎ組成を有するＧａＮの第２種サブ井戸層を成長させた後に、さらにその成長直後にＴＭＩとアンモニアのみが供給される。ただし、このときのＴＭＩとアンモニアの供給量は、ＩｎＮが生成しない範囲内に制限される。

本実施例３においは、第２種サブ井戸層の成長直後に供給されるＴＭＩからのＩｎはサーファクタントとして働き、結晶欠陥が少なくかつ平坦性の高い結晶性回復層としての第２種サブ井戸層を形成することができ、より高い発光効率を実現することができる。

（実施例４）
本発明の実施例４は、実施例３に比べて、井戸層１３の形成条件が変更されたことのみにおいて異なっている。具体的には、本実施例４においては、まずＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの第１種サブ井戸層１３ａ₁の成長直後に、ＩｎＮが成長しない供給量範囲内でＴＭＩとアンモニアのみが供給される。続いて、実施例３の場合と同様に、本実施例４においても第２種サブ井戸層１３ａ₂の成長直後にＩｎＮが成長しない供給量範囲内でＴＭＩとアンモニアのみが供給される。しかし、本実施例４においては、さらに続いてＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの第１種サブ井戸層１３ａ₃を成長させた直後にＩｎＮが成長しない供給量範囲内でＴＭＩとアンモニアのみが供給される。

こうして形成される本実施例４のＬＥＤ素子においては、実施例３に比べても、さらにＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの第１種サブ井戸層においてＩｎがサーファクタントとして働き、結晶欠陥が少なくて平坦性の高い膜を形成することができ、より高い発光効率を実現することができる。

（実施例５）
本発明の実施例５は、実施例３に比べて、第１種サブ井戸層１３ａ₁、１３ａ₂の形成条件が変更されたことのみにおいて異なっている。具体的には、本実施例５においては、まずＩｎ_1.20Ｇａ_0.80Ｎの第１種サブ井戸層１３ａ₁を成長させた直後に微量の水素とアンモニアのみを供給する。続いて、実施例３の場合と同様に、本実施例５においても第２種サブ井戸層１３ａ₂を成長させた直後にＩｎＮが生じない供給量範囲内でＴＭＩとアンモニアのみが供給される。しかし、本実施例５では、さらに続いてＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの第１種サブ井戸層１３ａ₃を成長させた直後に微量の水素とアンモニアのみが供給される。

本実施例５のＬＥＤ素子では、Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの第１種サブ井戸層において結晶欠陥の多い内部エネルギの高い部分を水素でエッチングして高品質な膜質を得ることができ、実施例３に比べても高い発光効率を実現することができる。

（実施例６）
本発明の実施例６は、実施例１〜５に比べて、ＭＱＷ発光層が設けられることのみにおいて異なっている。具体的には、基板温度７００℃において、キャリアガスの窒素に加えて、ＴＭＧ、ＴＭＩ、およびアンモニアを供給して厚さ４ｎｍのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ井戸層を形成し、ＴＭＩの供給を止めて厚さ６ｎｍのＧａＮ障壁層を形成し、これらの井戸層と障壁層を交互に５周期だけ積層した後に、実施例１から５のいずれかと同様に井戸層１３が形成される。

すなわち、本実施例６のＬＥＤ素子においては、ｐ型層１５に最も近い側に第１種サブ井戸層と第２種サブ井戸層を含む井戸層１３が形成される。この場合、正孔の有効質量が電子に比べて大きくて発光層内での拡散長が短く、また第１種サブ井戸層が主に発光に寄与するので、全井戸層内に第２種サブ井戸層を含める場合と比べて、ｐ型層に最も近い井戸層のみに第２種サブ井戸層を設けることによって高い発光効率を実現することができる。

（実施例７）
本発明の実施例７も、実施例１〜５に比べて、ＭＱＷ発光層が設けられることのみにおいて異なっている。具体的には、基板の温度を７００℃に維持したままで、キャリアガスとしての窒素に加えて、原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流して、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層（第１種サブ井戸層）、厚さ２ｎｍのＧａＮ結晶性回復層（第２種サブ井戸層）、および厚さ３ｎｍのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層（第１種サブ井戸層）が積層された井戸層を形成し、続いて厚さ６ｎｍのＧａＮ障壁層を形成し、これらの井戸層と障壁層を３周期積層することによって発光層を形成する。

本実施例７のＬＥＤ素子においても、各井戸層内でＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層（第１種サブ井戸層）同士の量子準位がカップリングし、実施例１〜５と同様に高い電流密度においても高い発光効率を実現することができる。

以上のように、本発明によれば、高密度の電流を注入したときの発光効率が改善された窒化物半導体発光素子を提供することができる。

１ 基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３ 窒化物半導体発光層、４ ｐ型窒化物半導体層、１１ 基板、１２ ｎ型窒化物半導体層、１３ 窒化物半導体発光層、１３ａ₁、１３ａ₃ 第１種サブ井戸層、１３ａ₂ 第２種サブ井戸層、１４ 蒸発防止層、１５ ｐ型窒化物半導体層、１６ 透光性電極、１７、１８ パット電極。

Claims (20)

1. 窒化物半導体発光素子構造であって、
   １以上のｎ型層と１以上のｐ型層との間に発光層を含み、
   前記発光層は１以上の量子井戸層を含み、
   少なくとも１の前記量子井戸層は、相対的に小さなバンドギャップを有する第１種サブ井戸層の２以上と、前記第１種サブ井戸層に挟まれかつ相対的に大きなバンドギャップを有する第２種サブ井戸層の１以上とを含み、
   各前記第２種サブ井戸層は４ｎｍ以下の厚さを有していて結晶性回復層として機能し、
   前記第１種サブ井戸層の合計厚は４ｎｍよりも大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子構造。
2. 前記発光層は前記井戸層に加えて１以上の障壁層をも含み、各前記障壁層は４ｎｍより大きい厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子構造。
3. 各前記第２種サブ井戸層の厚さは２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子構造。
4. 各前記第２種サブ井戸層の厚さは１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子構造。
5. 前記第２種サブ井戸層はＩｎＧａＮ、ＧａＮ、およびＩｎドープＧａＮのいずれかからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造。
6. 各前記第１種サブ井戸層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の窒化物半導体発光素子構造。
7. 少なくともｐ型層に最も近い前記井戸層は前記第２種サブ井戸層を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の窒化物半導体発光素子構造。
8. 前記第１種サブ井戸層および第２種サブ井戸層を含む井戸層に対してｎ型層に接している層はＩｎドープＧａＮであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造。
9. 前記第１種サブ井戸層および第２種サブ井戸層を含む井戸層に対してｐ型層に接している層はＩｎドープＧａＮであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造。
10. 前記１以上のｐ型層は前記発光層側に最も近いＡｌＧａＮ層を含んでいることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造。
11. 前記発光層の一方側に接してＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる蒸発防止層が形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造。
12. 前記ＡｌＧａＮの層は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上のｐ型ドーパント濃度を有していることを特徴とする請求項１０または１１に記載の窒化物半導体発光素子構造。
13. 前記ｐ型ドーパントはＭｇであることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子構造。
14. 前記窒化物半導体発光素子構造はｃ面の主面を有するサファイヤ基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子構造の形成方法であって、
    前記第２種サブ井戸層は水素を含むキャリアガスを利用した有機金属気相成長法によって結晶成長されられることを特徴とする形成方法。
16. 前記第２種サブ井戸層の結晶成長中にトリメチルインジウムまたはトリエチルインジウムが供給されることを特徴とする請求項１５に記載の形成方法。
17. 前記第２種サブ井戸層の結晶長後にトリメチルインジウムまたはトリエチルインジウムが供給されることを特徴とする請求項１６に記載の形成方法。
18. 前記第１種サブ井戸層も有機金属気相成長法によって結晶成長させられ、前記第２種サブ井戸層は前記第１種サブ井戸層に比べて高い基板温度のもとで結晶成長させられることを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載の形成方法。
19. 前記第１種サブ井戸層井戸層の成長前、前記第１種サブ井戸層の成長と前記第２種サブ井戸層の成長との間、または前記第２種サブ井戸層の成長後においてトリメチルインジウムまたはトリエチルインジウムが供給されることを特徴とする請求項１８に記載の形成方法。
20. 前記第１種サブ井戸層の成長と前記第２種サブ井戸層の成長との間、または前記第２種サブ井戸層の成長後において水素が供給されることを特徴とする請求項１８または１９に記載の形成方法。

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