JP2011151275A - 窒化物半導体発光素子および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光特性や寿命特性に優れた窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】
活性層を含み、前記活性層は、量子井戸層ａと、障壁層ｂと、中間層ｃとから形成され、
中間層ｃは、量子井戸層ａと障壁層ｂとの間に配置され、
量子井戸層ａは、Ｉｎを含み、
中間層ｃは、酸素を含み、
中間層ｃにおける前記酸素の濃度が、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【選択図】 図５

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子および電子装置に関する。

半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子の中でも、特に窒化物半導体発光素子は、各種電子装置の光源等に有用である。半導体発光素子を発光させるためには、量子井戸を含む構造が広く用いられる。例えば、特許文献１では、サファイア基板の（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて、ＧａＮ低温バッファ層、ｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層を前記順序で形成する方法等が記載されている。同文献において、前記発光層上には、さらに、ｐ−ＡｌＧａＮ層、ｐ−ＧａＮコンタクト層が形成される。

特開２００１−７７４１６号公報

発光ダイオード、半導体レーザ等の窒化物半導体発光素子においては、Ｉｎを含む量子井戸層が有用である。例えば、高Ｉｎ組成比の量子井戸層を用いることで、青紫色〜緑色あるいは青〜緑色の光を発する窒化物半導体発光素子を得ることができる。前記量子井戸層としては、例えば、Ｉｎ組成比が２０〜３０％のＩｎＧａＮ量子井戸層が挙げられる。

しかしながら、そのような高Ｉｎ組成比の活性層では、結晶欠陥が発生するという問題が起きる。この原因は必ずしも明らかでないが、例えば、ＩｎＮとＧａＮの格子定数差が大きいため相分離を起こしやすく、Ｉｎが偏析を起こしたり、Ｉｎ−Ｉｎ結合が形成されたりするためと考えられる。また、量子井戸層のＩｎＧａＮの格子定数が、基板のＧａＮの格子定数に対して大きいため、量子井戸層内部や、量子井戸層と障壁層の界面に格子不整合による歪みが生じるためとも考えられる。この高Ｉｎ組成比活性層の結晶欠陥は、非発光再結合中心として働いたり、リーク電流のパスになったりする場合がある。このため、発光素子の発光特性や寿命特性が大幅に低下するおそれがある。

そこで、本発明は、発光特性や寿命特性に優れた窒化物半導体発光素子および電子装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体発光素子は、
活性層を含み、前記活性層は、量子井戸層と、障壁層と、中間層とから形成され、
前記中間層は、前記量子井戸層と前記障壁層との間に配置され、
前記量子井戸層は、Ｉｎを含み、
前記中間層は、酸素を含み、
前記中間層における前記酸素の濃度が、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また、本発明の電子装置は、前記本発明の窒化物半導体発光素子を含むことを特徴とする。

本発明によれば、発光特性や寿命特性に優れた窒化物半導体発光素子および電子装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における窒化物半導体発光素子の構造の概略を例示する断面図である。 本発明の一実施形態の窒化物半導体発光素子における活性層の構造の概略を例示する断面図である。 窒化物半導体層の形成温度と酸素不純物濃度との関係を例示するグラフである。 本発明の別の一実施形態の窒化物半導体発光素子における活性層の構造の概略を例示する断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層の構造を例示する断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子における活性層のエネルギーバンドを例示する模式図である。

本発明において、「組成」とは、半導体層等を構成する元素の原子数の量的関係をいう。「組成比」とは、前記半導体層等を構成する特定の元素の原子数と、他の元素の原子数との相対的な割合をいう。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの組成で表される半導体層において、ｘの数値を「Ａｌ組成比」という。また、例えば、「Ｉｎ組成比が２０〜３０％のＩｎＧａＮ」は、Ｉｎ原子数およびＧａ原子数の合計に対して前記Ｉｎ原子数が２０〜３０％であるＩｎＧａＮをいう。また、本発明において、一つの半導体層と他の半導体層との組成を比較する場合、導電性等を発現させる不純物（ドーパント）は、半導体層を構成する元素として考慮しないものとする。例えば、ｐ型ＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層とは、不純物（ドーパント）が異なるが、組成は同一であるものとする。また、例えば、ｎ型ＧａＮ層と、不純物濃度がさらに高いｎ^＋ＧａＮ層とがあった場合、それらの組成は同一であるものとする。また、本発明において、半導体層中における不純物の濃度は、特に断らない限り、体積あたり（例えば１ｃｍ^３あたり）存在する前記不純物の原子数で表す。例えば、前記中間層における酸素濃度（酸素不純物濃度）は、前記中間層中に体積あたり存在する酸素原子数で表すものとする。

また、半導体は、結晶状態である場合とアモルファス（非結晶）状態である場合とがある。本発明の窒化物半導体発光素子において、前記活性層等の窒化物半導体層は、特に制限されないが、結晶状態であることが好ましい。また、前記結晶状態は、単結晶状態でも多結晶状態でも良いが、単結晶状態であることがより好ましい。また、本発明において、半導体層あるいは基板の「主面」とは、半導体層あるいは基板において最も広い平面、すなわち、いわゆる表面もしくは裏面、または上面もしくは下面をいう。

また、本発明において、「表面側に」は、特に断らない限り、表面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。同様に、「裏面側に」は、特に断らない限り、裏面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。「表面に」は、表面に直接接触している状態を指す。同様に、「裏面に」は、裏面に直接接触している状態を指す。「上に」は、特に断らない限り、上面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。同様に、「下に」は、特に断らない限り、下面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。また、「上面に」は、上面に直接接触している状態を指す。同様に、「下面に」は、下面に直接接触している状態を指す。「片面側に」は、特に断らない限り、片面側に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。「両面側に」も、同様とする。「片面に」は、片面に直接接触している状態を指す。「両面に」も、同様とする。

以下、本発明の具体的な実施形態について、適宜、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。また、図面において、各部の構造等は、説明の便宜または明確のために適宜簡略化している場合があり、各部の寸法比等は、実物とは異なる場合がある。

［実施形態１］
図１の断面図に、本実施形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す。図示の通り、この窒化物半導体発光素子は、ｎ型基板１０１と、その上にｎ型クラッド層１０２、ｎ型ガイド層１０３、活性層１０４、ｐ型ガイド層１０５、ｐ型クラッド層１０６、およびｐ型コンタクト層１０７が前記順序で積層された窒化物半導体層と、ｐ電極１０９と、ｎ電極１１０とを主要な構成要素とする。ｎ型基板１０１は、（１１−２２）面を結晶表面（主面）とするＳｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１００μｍ）から形成されている。ｎ型クラッド層１０２は、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（Ｓｉ濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）から形成されている。ｎ型ガイド層１０３は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）から形成されている。活性層１０４の構造については後述する。ｐ型ガイド層１０５は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）から形成されている。ｐ型クラッド層１０６は、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）から形成されている。ｐ型コンタクト層１０７は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０．０２μｍ）から形成されている。ｐ型コンタクト層１０７の一部は、その下のｐ型クラッド層１０６上部とともに除去されている。除去されていないｐ型コンタクト層１０７は、その下のｐ型クラッド層１０６上部とともにリッジ構造を形成している。前記リッジ構造以外の部分のｐ型クラッド層１０６上面は、絶縁膜１０８で被覆されている。ｐ電極１０９は、ｐ型コンタクト層１０７上面に接するように配置されている。ｎ電極１１０は、ｎ型基板１０１下面に接するように配置されている。

図２の断面図に、図１の活性層１０４の構造を示す。図示の通り、活性層１０４は、量子井戸層１０４ａと、障壁層１０４ｂと、中間層１０４ｃとから形成されている。量子井戸層１０４ａは、厚さ２ｎｍのノンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる。障壁層１０４ｂは、厚さ４ｎｍのノンドープＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなる。中間層１０４ｃは、厚さ１ｎｍのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる。中間層１０４ｃは、濃度５×１０^１７ｃｍ^−３の酸素不純物を含む。量子井戸層１０４ａと障壁層１０４ｂの酸素不純物濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。障壁層１０４ｂは、量子井戸層１０４ａの上下の両面側に配置されている。中間層１０４ｃは、量子井戸層１０４ａの上下の両面側に配置され、かつ、量子井戸層１０４ａと障壁層１０４ｂとの間に配置されている。同図の活性層１０４は、２周期の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。より具体的には、同図の活性層１０４において、量子井戸層１０４ａは、二層であり、障壁層１０４ｂは、三層であり、中間層１０４ｃは、四層である。各量子井戸層１０４ａを、下から上に、それぞれ第一〜第二の量子井戸層１０４ａとする。各障壁層１０４ｂを、下から上に、それぞれ第一〜第三の障壁層１０４ｂとする。各中間層１０４ｃを、下から上に、それぞれ第一〜第四の中間層１０４ｃとする。同図の活性層１０４は、第一の量子井戸層１０４ａの下面側（図で見て下側）に第一の障壁層１０４ｂが配置され、第一の量子井戸層１０４ａの上面側（図で見て上側）に第二の障壁層１０４ｂが配置されている。第二の量子井戸層１０４ａの下面側には第二の障壁層１０４ｂが配置され、第二の量子井戸層１０４ａの上面側に第三の障壁層１０４ｂが配置されている。さらに、第一〜第四の中間層１０４ｃが各量子井戸層１０４ａと各障壁層１０４ｂとの間に配置されることで、前述した量子井戸層１０４ａと障壁層１０４ｂと中間層１０４ｃとの積層構造（量子井戸構造）が２周期形成されている。

なお、ｎ型基板１０１は、（１−１００）面などの他の結晶面を表面（主面）とするＧａＮ基板等であっても良い。または、ｎ型基板１０１は、サファイア基板やＳｉ基板上に、ＧａＮ低温バッファ層などを介してＧａＮ層を形成した基板であっても良い。または、ｎ型基板１０１は、ＧａＮ／サファイア上に窒化物系結晶層等を形成した基板であっても良い。ｎ型基板１０１の下部が、導電性を有しない材質で形成されている場合、例えば、ｎ型基板１０１の下面にビアホールを設ける等の方法により、ｎ電極１１０と同図の窒化物半導体発光素子とを適宜電気的に接続してもよい。

本実施形態の前記窒化物半導体発光素子の製造方法は、特に制限されない。前記窒化物半導体層（半導体結晶層）を構成する各層は、例えば、常圧の有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置を用いて行うことができる。また、キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれ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）、ｎ型ドーパントにシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型ドーパントにビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができるが、これらに限定されない。

前述の通り、本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記量子井戸層と前記障壁層との間に前記中間層が配置され、前記量子井戸層は、Ｉｎを含み、前記中間層は、酸素不純物を含み、前記中間層における前記酸素不純物の濃度が、１×１０^１７ｃｍ^−３以上である。この構造を有することで、本発明の窒化物半導体発光素子は、発光特性や寿命特性に優れる。より具体的には、本発明の窒化物半導体発光素子は、例えば、活性層の発光効率に優れる。このような効果が得られるメカニズムは明らかではないが、Ｉｎを含む量子井戸層（例えばＩｎＧａＮ層）の近傍に酸素が存在することが重要であると推測される。より具体的には、例えば、Ｉｎが酸素と反応しやすいことから、過剰なＩｎが酸化されてＩｎ偏析が抑制される、ということが考えられる。また、Ｉｎと酸素が結合することでＩｎとＮの結合よりも安定な結合が形成され、量子井戸層と障壁層の界面での格子不整合に起因する前記界面または前記量子井戸層内部の結晶欠陥（例えばｐｈｙｓ． ｓｔａｔ． ｓｏｌ． （ｃ） ３， Ｎｏ．６， １７７９−１７８２（２００６）参照）が抑制される、などの効果も考えられる。ただし、これらは推定可能なメカニズムの一例であって、本発明を何ら限定しない。また、前記中間層は、前記量子井戸層の上下の少なくとも片面側に配置されていれば良いが、前記量子井戸層の上下の両面側に配置されていることが好ましい。

本発明において、前記中間層以外の層の酸素不純物濃度は特に制限されない。本実施形態では中間層にのみ高濃度の酸素を添加しているが、ＩｎＧａＮ量子井戸や障壁層にも酸素を添加しても良い。例えば、本発明において、前記障壁層が、酸素不純物を含み、かつ、前記中間層と同一の組成および不純物濃度を有し、前記障壁層が、前記中間層と一体に形成されていても良い。ただし、前記量子井戸層の発光効率を低下させない観点から、前記量子井戸層の酸素不純物濃度が高すぎないことが好ましい。前記量子井戸層の酸素不純物濃度と発光効率との相関のメカニズムは明らかではないが、例えば、前記酸素不純物濃度が高いと、前記量子井戸層中の非発光中心密度が増加すると考えられる。そのため、前記活性層において、前記中間層のみに、または前記中間層と前記障壁層のみに、制御性良く高濃度の酸素を添加することが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記中間層の酸素不純物濃度は、好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３以上である。前記中間層における前記酸素不純物濃度の上限値は、好ましくは１×１０^２０ｃｍ^−３以下、より好ましくは１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。前記障壁層の酸素不純物濃度は、特に制限されない。また、前記量子井戸層の酸素不純物濃度は、好ましくは１×１０^１７ｃｍ^−３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。前記量子井戸層の酸素不純物濃度の下限値は特に制限されないが、低いほど好ましく、理想的には０である。

本実施形態では、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体基板主面上に活性層を形成し、また、中間層にＡｌＧａＮを用いている。これは、窒化物半導体結晶をＭＯＣＶＤなどにより結晶成長する場合、通常用いられる（０００１）面に比べて（１１−２２）面の方が、酸素を不純物として取り込み易いためである。また、高いＡｌ組成の層ほど、酸素を不純物として取り込み易いためである。この観点から、本発明では、前記中間層が、結晶層であり、前記中間層の主面が、（０００−１）面、（１０−１０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面または（１−１００）面であることが好ましい。また、本発明では、前記中間層が、Ａｌを含むことが好ましい。

本発明者らは、実際に、（０００１）面、（１−１００）面または（１１−２２）面を主面とするＡｌＧａＮ層、および（１１−２２）面を主面とするＧａＮ層を形成し、酸素不純物濃度を測定した。図３に、その実験データを示す。同図において、横軸は、結晶成長時の基板温度（℃）であり、縦軸は、形成されたＡｌＧａＮ層またはＧａＮ層の酸素濃度（ｃｍ^−３）である。基板としては、（０００１）面、（１−１００）面または（１１−２２）面を主面とするＧａＮ基板を準備し、その上に前記ＡｌＧａＮ層またはＧａＮ層を形成させた。ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は５％であり、結晶成長条件は、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ供給量３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、圧力９０ｋＰａである。ＧａＮ層の成長は、ＴＭＡの供給が０であること以外はＡｌＧａＮ層と同様である。不純物濃度の測定には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いた。図示のように、（０００１）面では、酸素不純物濃度は測定限界の１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。それに対し、（１−１００）面、（１１−２２）面ではＡｌＧａＮ層中の酸素不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上であり、（０００１）面に比べて酸素を取り込み易いことが判る。また、（１１−２２）面であっても、ＧａＮ層では酸素不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、ＧａＮ層に比べてＡｌＧａＮ層の方が不純物濃度が高くなることが判る。ただし、同図の実験データは例示であり、本発明を何ら限定しない。結晶面に関しては、他にも（０００−１）面や（１０−１１）面なども、（０００１）面にくらべて酸素不純物を取り込み易い（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ３１１（２００９）３８１７−３８２３）。

なお、図３の実験においては、ＡｌＧａＮ層またはＧａＮ層形成工程に、大気中（雰囲気中）以外の酸素を供給していない。これは、特にＡｌを含む層の場合、形成工程で自動的に大気中（雰囲気中）の酸素不純物を取り込みやすいためである。図３のＧａＮ層は、酸素不純物濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下であることから、本発明の窒化物半導体発光素子における前記中間層として用いるには適していない。また、主面が（０００１）面であるＡｌＧａＮ層も、同様の理由で、本発明の窒化物半導体発光素子における前記中間層として用いるには適していない。しかし、これらの層も、例えば、形成工程で積極的に酸素をドーピングし、酸素不純物濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上とすれば、前記中間層として好適に用いることができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は特に制限されないが、主面が、（０００−１）面、（１０−１０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面または（１−１００）面である基板を準備する工程と、前記基板主面上に、前記活性層を形成する工程とを含むことが好ましい。この製造方法によれば、基板を含み、前記基板の主面が、（０００−１）面、（１０−１０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面または（１−１００）面であり、前記活性層が、前記基板主面上に形成された結晶層である本発明の窒化物半導体発光素子を製造できる。基板主面が前記の面であれば、前記中間層の主面が、前記基板主面と同じ指数で表される面となることにより、前述の通り、前記中間層が酸素不純物を取り込みやすい。

本発明では、前記中間層の、または前記中間層および前記障壁層の酸素不純物濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上とし、前記量子井戸層の酸素不純物濃度は前述のようになるべく低くすることが好ましい。前記各層の酸素不純物濃度は、前述のように、前記各層への、大気中（雰囲気中）の酸素以外の酸素添加（供給）の有無、あるいは添加（供給）する前記酸素の濃度で制御してもよい。ただし、ＭＯＣＶＤなどの結晶成長の際に、酸素の供給の有無で前記中間層に制御性良く酸素を添加することは困難を伴う場合があり、前記量子井戸層にも不要な酸素不純物が取り込まれ易い。そこで、例えば図３で説明したような、結晶の種類による不純物の取り込み易さの違いを利用することで、高濃度の酸素を前記中間層に、または前記中間層および前記障壁層に制御性良く添加し、前記量子井戸層の酸素不純物濃度は低くすることができる。具体的には、前記中間層がＡｌを含み、前記量子井戸層がＡｌを含まないことが好ましい。このようにすれば、前記中間層は形成工程で自動的に酸素不純物を取り込みやすく、前記量子井戸層はＡｌを取り込みにくいことから、前記各層への積極的な酸素添加（供給）の有無によらずとも、前記各層の酸素不純物濃度を制御しやすい。本実施形態では、（１１−２２）面を主面とするＩｎＧａＮ量子井戸層とＡｌＧａＮ中間層を用いた。ただし、本発明の前記量子井戸層および前記中間層はこれに限定されず、必要な酸素濃度プロファイルが得られるように、結晶面、成長条件、各層の組成などを適宜選べば良い。前記障壁層も同様である。

前記中間層は、前述の通りＡｌを含むことが好ましい。本実施形態ではＡｌＧａＮを用いたが、ＩｎＡｌＧａＮなどを用いても良い。ただし、前記活性層全体の屈折率の低下による光閉じ込め効率低下を防止する観点から、前記中間層のＡｌ組成比が高すぎないことが好ましい。前記中間層のＡｌ組成比は特に制限されないが、前記中間層における窒素以外の元素中のＡｌ組成比（原子数比）が、例えば１〜１０％、好ましくは２〜５％とする。

前記障壁層は、前述の通り、前記中間層と同一の組成および不純物濃度を有し、前記中間層と一体に形成されていても良い。ただし、例えば前述したように、前記活性層全体の屈折率の低下による光閉じ込め効率低下等を防止する観点から、前記障壁層と前記中間層の組成が異なり、前記障壁層と前記中間層とが別体であることが好ましい。具体的には、前記中間層がＡｌを含み、前記障壁層は、Ａｌを含まないか、またはＡｌ濃度がなるべく低いことが好ましい。前記障壁層の組成は特に制限されず、例えば、公知の量子井戸構造における障壁層の組成等を適宜適用してもよい。また、前記活性層全体の屈折率の低下による光閉じ込め効率低下等を防止する観点から、前記中間層が厚すぎないことが好ましい。前記中間層の厚みが小さく、前記中間層のみが酸素不純物を含んでいても、前記量子井戸層の近傍に酸素を含むこととなるため、窒化物半導体発光素子の発光特性や寿命特性向上の効果を得ることができる。前記中間層の厚みは特に制限されないが、例えば０．２〜５ｎｍ、好ましくは０．４〜１ｎｍである。前記障壁層の厚みは特に制限されないが、例えば３〜１０ｎｍである。また、前記量子井戸層の厚みは特に制限されないが、例えば２〜４ｎｍである。

なお、本発明の窒化物半導体発光素子において、前記活性層等の窒化物半導体層は、例えばＧａＡｓＮ等の混晶でも良いが、例えば本実施形態で示したように、III族窒化物半導体から形成されていることが好ましい。III族窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等が挙げられる。前記量子井戸層、前記中間層、前記障壁層等の各層には、前述のように、それぞれに適した形成材料を適宜選択すれば良い。

また、本発明の窒化物半導体発光素子の構造は、特に制限されず、例えば、図１に示した各構成要素を適宜省略した構造でもよいし、他の構成要素を適宜追加した構造でもよい。また、図１に示した本実施形態の窒化物半導体発光素子では、素子断面形状がリッジ形状であるが、本発明は、この例に限定されない。前記素子断面形状は、例えば、インナーストライプ形状等であってもよい。さらに、本発明の窒化物半導体発光素子の構造は、前記活性層が前述の構造を有し、かつ半導体発光素子として機能し得る限り、どのような構造でも良い。具体的には、例えば、ｎ型層、ｐ型層、および前記活性層を有し、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に前記活性層が配置され、かつ光導波路構造が形成された構造であってもよい。光導波路構造は、例えば、ｎ型層およびｐ型層のいずれかの一部に、図１に示すリッジ形状を設けて形成する（リッジ型）か、または別途電流狭窄層を設けて形成する（インナーストライプ型）。前記ｎ型層および前記ｐ型層には、例えば図１に示したように、適宜ｎ電極およびｐ電極を接続してもよい。

［実施形態２］
次に、本発明の別の実施形態について説明する。

図４に、本実施形態の窒化物半導体発光素子の活性層の構造の一例を示す。図示の通り、本実施形態では、活性層にｎドープ量子井戸層２０１（Ｓｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）、ノンドープの障壁層２０２、およびｐドープ中間層２０３（Ｍｇ濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、Ｏ濃度５×１０^１７ｃｍ^−３）、を用いている。本実施形態の窒化物半導体発光素子の構造は、前記活性層のドーピングの有無以外は実施形態１と同様である。本実施形態では、前記活性層は、ｎドーパントにＳｉ、ｐドーパントにＭｇを用いている。ただし、前記ｎドーパントとしては、例えばＧｅやＯなど、前記ｐドーパントとしては、例えばＺｎやＣなどの、通常の半導体結晶で用いられる他のドーパントでも良い。

本実施形態によれば、量子井戸間のキャリア不均一注入の促進を抑制し、実施形態１よりもさらに発光効率の高い半導体発光素子を得ることも可能である。

実施形態１では、前記活性層は、中間層のみ酸素不純物濃度５×１０^１７ｃｍ^−３とし、前記量子井戸層および前記障壁層はノンドープとした。これに対し、本実施形態では、前述の通り、前記中間層が、さらにｐ型不純物を含み、前記中間層における前記ｐ型不純物の濃度が、前記中間層における前記酸素不純物の濃度以上である。また、前記量子井戸層が、さらにｎ型不純物を含み、前記量子井戸層における前記ｎ型不純物の濃度が、前記中間層における前記酸素不純物の濃度以上である。

窒化物半導体結晶においては、結晶成長条件やプロセスにもよるが、酸素不純物がドナーとして働くことがありうる。これにより、例えば、前記中間層がｎ型となり、中間層のフェルミ準位が真性半導体よりも伝導帯寄りになることで、ΔＥｃは低下し、ΔＥｖは増加する。電子に比べて正孔の方が重いため、このΔＥｖの増加によって、量子井戸間のキャリア不均一注入が促進される。多重量子井戸型活性層においては、前記キャリア不均一注入により、各量子井戸の光学利得スペクトルの不均一、発光効率の低下等が起こる場合がある（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．６２ （１９）， ｐｐ．２３１６−２３１８， １９９３、およびＡｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．６５ （１９）， ｐｐ．２３８３−２３８５， １９９４）。

本実施形態では、前記中間層に対し、前記中間層の酸素不純物濃度以上にｐドーピングし、かつ、前記量子井戸層に対し、前記中間層の酸素不純物濃度以上にｎドーピングすることで、キャリア不均一注入の抑制を行う。前記中間層をｐドーピングすることで酸素不純物によるｎ型化を補償し、また、前記量子井戸層をｎドーピングすることで量子井戸層もｎ型化し、ΔＥｖの増加を抑制できる。本発明において、前記中間層のｐドーピングと前記量子井戸層のｎドーピングは、本実施形態のように両方行うことが好ましいが、どちらか一方でも良い。また、中間層の酸素不純物の活性化率は、結晶成長条件やプロセスによって様々に変わる。このため、酸素不純物は全て活性化しているものと仮定して、前記中間層のｐドーピング濃度（ｐ型不純物濃度）、および前記量子井戸層のｎドーピング濃度（ｎ型不純物濃度）を、前記酸素不純物による影響の補償に充分な高濃度とすることが望ましい。前記中間層のｐ型不純物濃度は、前述の通り、前記中間層の酸素不純物濃度以上であることが好ましい。前記中間層のｐ型不純物濃度の上限は、特に制限されないが、結晶品質の観点から、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３以下、好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３以下である。例えば、ｐｈｙｓ． ｓｔａｔ． ｓｏｌ． （ｂ） ２３４， Ｎｏ． ３， ８５０−８５４， ２００２には、ｐ型不純物としてのＭｇの濃度がある程度高くなると、Ｍｇの表面偏析によって結晶の極性が反転し、結晶品質が著しく低下することが記載されている。ただし、本発明は、当該文献の記載によって何ら制限ないし限定されない。前記量子井戸層のｎ型不純物濃度は、前述の通り、前記中間層の酸素不純物濃度以上であることが好ましい。前記量子井戸層のｎ型不純物濃度の上限は、特に制限されないが、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３以下である。

なお、図５および６の模式図を用いて、量子井戸間のキャリア不均一注入と、ドーピングによる改善効果について説明する。ただし、図５および６は、説明の便宜のための例示的な模式図であり、本発明を何ら限定しない。図５に、本発明の窒化物半導体発光素子における前記活性層の構造の一例を示す。同図において、量子井戸層はａ、障壁層はｂ、中間層はｃで示している。量子井戸層、障壁層および中間層の配置は、実施形態１（図２）および実施形態２（図４）と同じである。図５の多重量子井戸型活性層においては、量子井戸層ａはＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎにより形成され、中間層ｃはＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎにより形成され、障壁層ｂはＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎにより形成されているものとする。また、図６に、図５の活性層のエネルギーバンド図を示す。ただし、図６のエネルギーバンド図は、説明の便宜のために特徴を誇張しており、実際の測定結果または計算結果をそのまま掲載したものではない。図６中には、図５の活性層の伝導帯のバンドオフセットΔＥｃと、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖを示している。また、前記活性層には、外部から電界は印加されていないものとする。図６（Ａ）〜（Ｄ）のバンド構造模式図は、図５の活性層における前記各層が、（Ａ）全てノンドープ、（Ｂ）中間層がｎ型で量子井戸層および障壁層がノンドープ、（Ｃ）中間層がｐ型で量子井戸層および障壁層がノンドープ、（Ｄ）中間層がｎ型、量子井戸層がｎ型で障壁層がノンドープ、の場合をそれぞれ示す。例えば、前記中間層に含まれる酸素不純物の影響で、図６（Ｂ）のように中間層がｎ型化すると、前記中間層の準位が引き下げられ、図６（Ａ）と比較してΔＥｖが増大する。これに対し、図６（Ｃ）のように前記中間層をｐ型とすれば、前記中間層の準位が引き上げられ、ΔＥｖを低減できる。また、前記中間層をｐ型化することに代えて、図６（Ｄ）のように前記量子井戸層をｎ型化すると、前記量子井戸層の準位が引き下げられ、図６（Ｂ）と比較してΔＥｖを低減できる。なお、図６（Ｄ）において、前記量子井戸層に加え前記障壁層をもｎ型化し、前記障壁層の準位をも引き下げても良い。

以上、説明したように、本発明によれば、発光特性や寿命特性に優れた窒化物半導体発光素子を提供することができる。本発明の窒化物半導体発光素子の用途は特に制限されず、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等として用いることができる。また、本発明の電子装置は、前記本発明の窒化物半導体発光素子を含むことにより、発光特性や寿命特性に優れる。本発明の電子装置も特に制限されず、例えば、画像表示装置、情報記録再生装置等、どのような電子装置でも良い。

１０１ ｎ型基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３ ｎ型ガイド層
１０４ 活性層
１０５ ｐ型ガイド層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ ｐ型コンタクト層
１０８ 絶縁膜
１０９ ｐ電極
１１０ ｎ電極
１０４ａ、２０１、ａ 量子井戸層
１０４ｂ、２０２、ｂ 障壁層
１０４ｃ、２０３、ｃ 中間層

Claims (10)

1. 活性層を含み、前記活性層は、量子井戸層と、障壁層と、中間層とから形成され、
   前記中間層は、前記量子井戸層と前記障壁層との間に配置され、
   前記量子井戸層は、Ｉｎを含み、
   前記中間層は、酸素を含み、
   前記中間層における前記酸素の濃度が、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記中間層が、結晶層であり、前記中間層の主面が、（０００−１）面、（１０−１０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面または（１−１００）面であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記中間層が、Ａｌを含むことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記中間層が、さらにｐ型不純物を含み、
   前記中間層における前記ｐ型不純物の濃度が、前記中間層における前記酸素の濃度以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記量子井戸層が、さらにｎ型不純物を含み、
   前記量子井戸層における前記ｎ型不純物の濃度が、前記中間層における前記酸素の濃度以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. さらに、基板を含み、
   前記基板の主面が、（０００−１）面、（１０−１０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面または（１−１００）面であり、
   前記活性層が、前記基板主面上に形成された結晶層であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記活性層が、III族窒化物半導体層から形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記障壁層が、酸素を含み、かつ、前記中間層と同一の組成および不純物濃度を有し、
   前記障壁層が、前記中間層と一体に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 主面が、（０００−１）面、（１０−１０）面、（１０−１１）面、（１１−２２）面または（１−１００）面である基板を準備する工程と、
   前記基板主面上に、前記活性層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子を含むことを特徴とする電子装置。

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