JP2014146684A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を高め且つドループ率の増大を抑えることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体層上に、夫々、井戸層１５ａ及び障壁層１５ｂが交互に繰り返し積層されてなる第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６及び多重量子井戸発光層１７を順に積層形成する。この際、第２の多重量子井戸構造層に含まれる井戸層１６ａのＩｎ組成は、発光層に含まれる井戸層１７ａのＩｎ組成よりも大であり、第１の多重量子井戸構造層に含まれる井戸層１５ａのＩｎ組成は発光層に含まれる井戸層のＩｎ組成以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。

近年、半導体発光素子として、ＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体の発光層を有する半導体発光素子が研究されている。かかる半導体発光素子は、ｐ型のＧａＮ系半導体層とｎ型のＧａＮ系半導体層との間に、ＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）からなる発光層（活性層とも称する）を挟んだ構造を有する。

また、このような半導体発光素子の発光効率を高めるべく、上記した発光層のＩｎ（インジウム）の組成より大なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ層を、発光層及びｎ型ＧａＮ層間に設けることにより、外部量子効率を高めるようにした技術が提案されている。また、このようなＩｎＧａＮ層として、Ｉｎ組成が大なる層と、Ｉｎ組成が小なる層とを交互に繰り返し積層した構造を採用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、かかる構成をもってしても、外部量子効率を十分に高めることができず、高い発光効率を得ることが出来ないという問題があった。

更に、現在、このような半導体発光素子に生じるドループ（Ｄｒｏｏｐ）現象、つまり半導体発光素子に注入する電流を増加するにつれて発光効率が低下してしまうというドループ率の低下を抑制する技術が望まれている。

特開２００７−８８４８１号公報

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外部量子効率を高めると共にドループ率を抑制させた発光効率の高い半導体発光素子びその製造方法を提供することである。

本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型の第１のＧａＮ系半導体層と、ＩｎＧａＮ結晶からなる第１の井戸層と、前記第１の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶又はＧａＮ結晶からなる第１の障壁層とが交互に繰り返し積層され、前記第１のＧａＮ系半導体層上に形成された第１の多重量子井戸構造層と、ＩｎＧａＮ結晶からなる第２の井戸層と、前記第２の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第２の障壁層とが交互に繰り返し積層され、前記第１の多重量子井戸構造層上に形成された第２の多重量子井戸構造層と、ＩｎＧａＮ結晶からなる第３の井戸層と、前記第３の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第３の障壁層とが交互に繰り返し積層され、前記第２の多重量子井戸構造層上に形成された多重量子井戸発光層と、前記多重量子井戸発光層上に形成された、第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２のＧａＮ系半導体層と、を有し、前記第１の井戸層のインジウム組成は前記第３の井戸層のインジウム組成以下であり、前記第２の井戸層のインジウム組成は前記第３の井戸層のインジウム組成より大きいことを特徴としている。

また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型の第１のＧａＮ系半導体層を形成する工程と、前記第１のＧａＮ系半導体層上に、ＩｎＧａＮ結晶からなる第１の井戸層と、前記第１の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶又はＧａＮ結晶からなる第１の障壁層とが交互に繰り返し積層されてなる第１の多重量子井戸構造層を形成する工程と、前記第１の多重量子井戸構造層上に、前記第１の井戸層よりもインジウム組成が大きいＩｎＧａＮ結晶からなる第２の井戸層と、前記第２の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第２の障壁層とが交互に繰り返し積層されてなる第２の多重量子井戸構造層を形成する工程と、前記第２の多重量子井戸構造層上に、前記第２の井戸層よりもインジウム組成が小さいＩｎＧａＮ結晶からなる第３の井戸層と、前記第３の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第３の障壁層とが交互に繰り返し積層されてなる多重量子井戸発光層を形成する工程と、前記多重量子井戸発光層上に、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２のＧａＮ系半導体層を形成する工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の半導体発光素子は、ＧａＮ系半導体層上に、夫々、井戸層及び障壁層が交互に繰り返し積層されてなる第１の多重量子井戸構造層、第２の多重量子井戸構造層及び多重量子井戸発光層を順に積層形成したものである。この際、第２の多重量子井戸構造層に含まれる井戸層のＩｎ組成を、発光層に含まれる井戸層のＩｎ組成よりも大きくすることにより、半導体発光素子の外部量子効率を向上させ且つドループ率を抑制させている。更に、本発明に係る半導体発光素子では、上記した第２の多重量子井戸構造層及びＧａＮ系半導体層間に、発光層に含まれる井戸層のＩｎ組成以下のＩｎ組成を有する井戸層を含む第１の多重量子井戸構造層を設けることにより、ＧａＮ系半導体層及び第２の多重量子井戸構造層間の格子定数の差を少なくしている。これにより、格子不整合に伴う格子欠陥が生じにくくなり、この格子欠陥に起因する外部量子効率の低下及びドループ率の増加を抑えることが可能となる。

よって、本発明によれば、外部量子効率を高め且つドループ率を抑えた発光効率の高い半導体発光素子を提供することが可能となる。

本発明による半導体発光素子の構造を示す断面図である。 第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６及び発光層１７各々の断面構造を示す断面図である。 第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６及び発光層１７のエネルギーバンドの一例を示すエネルギーバンド図である。 半導体発光素子の製造手順を示すフロー図である。 ＳＩＭＳ分析によって測定された、第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６、及び発光層１７のＩｎ組成を示すＩｎ組成分布図である。 第２の多重量子井戸構造層の井戸層１６ａのＩｎ組成と、外部量子効率、ドループ率、及び正規化外部量子効率の関係を示す図である。 第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６及び発光層１７のエネルギーバンドの他の一例を示すエネルギーバンド図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係る半導体発光素子の断面の一部を示す断面図である。図１に示すように、かかる半導体発光素子は、結晶成長基板としてのサファイア（ＳｉＣ）基板１１上に、低温バッファ層１２、アンドープＧａＮ層１３、ｎ−ＧａＮ層１４、第１のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造層１５、第２のＩｎＧａＮ多重量子井戸構造層１６、多重量子井戸発光層１７、ｐ−ＡｌＧａＮ層１８、及びｐ−ＧａＮ層１９を積層させた構造を有する。

低温バッファ層１２は、サファイア基板１１上に形成されており、ＧａＮ結晶からなる層厚約２０ｎｍの層である。アンドープＧａＮ層１３は、低温バッファ層１２上に形成されており、ＧａＮ結晶からなる層厚約２μｍの層である。ｎ−ＧａＮ層１４は、アンドープＧａＮ層１３上に形成されており、ＧａＮ系半導体結晶からなる層厚約４μｍのｎ型の半導体層である。

第１の多重量子井戸構造層１５は、ｎ−ＧａＮ層１４上に形成されている。第１の多重量子井戸構造層１５は、図２に示すように、Ｉｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる井戸層１５ａと、井戸層１５ａよりもＩｎ組成の小さいＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶又はＧａＮ結晶からなる障壁層１５ｂとが、交互に繰り返し積層されてなる、いわゆる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。この際、図３のエネルギーバンド図に示すように、第１の多重量子井戸構造層１５における井戸層１５ａ及び障壁層１５ｂ各々の層厚は同一の層厚Ｄ_１（例えば４ｎｍ）であり、井戸層１５ａのＩｎ組成はＸ_１（例えば０．２４）である。

第２の多重量子井戸構造層１６は、第１の多重量子井戸構造層１５上に形成されている。第２の多重量子井戸構造層１６は、図２に示すように、Ｉｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる井戸層１６ａと、井戸層１６ａよりもＩｎ組成の小さいＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる障壁層１６ｂとが交互に繰り返し積層されてなる、いわゆる多重量子井戸構造を有する。尚、図３に示すように、第２の多重量子井戸構造層１６における井戸層１６ａの層厚は、第１の多重量子井戸構造層１５の井戸層１５ａの層厚Ｄ_１よりも小なる層厚Ｄ_２（例えば３ｎｍ）であり、障壁層１６ｂの層厚は、第１の多重量子井戸構造層１５の障壁層１５ｂの層厚Ｄ_１よりも大なる層厚Ｄ_３（例えば５ｎｍ）である。また、図３に示す如く、第２の多重量子井戸構造層１６の井戸層１６ａのＩｎ組成Ｘ_２（例えば０．２８）は、第１の多重量子井戸構造層１５の井戸層１５ａのＩｎ組成Ｘ_１よりも大である。第２の多重量子井戸構造層１６における障壁層１６ｂのＩｎ組成Ｘ_０（例えば０．００５）は、第１の多重量子井戸構造層１５の障壁層１５ｂのＩｎ組成よりも大である。

発光層１７は、図２に示すように、Ｉｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる井戸層１７ａと、井戸層１７ａよりもＩｎ組成の小さいＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる障壁層１７ｂと、が交互に繰り返し積層されてなる、いわゆる多重量子井戸構造を有する。この際、図３に示すように、発光層１７の井戸層１７ａは層厚Ｄ_４を有し、障壁層１７ｂは層厚Ｄ_５を有する。尚、本実施例では、例えば、井戸層１７ａの層厚Ｄ_４を第２の多重量子井戸構造層１６の井戸層１６ａの層厚Ｄ_２と同一の３ｎｍとし、障壁層１７ｂの層厚Ｄ_５を第２の多重量子井戸構造層１６の障壁層１６ｂの層厚Ｄ_３と同一の５ｎｍとした。また、発光層１７の井戸層１７ａのＩｎ組成Ｘ_１（例えば０．２４）は、第２の多重量子井戸構造層１６における井戸層１６ａのＩｎ組成Ｘ_２よりも小である。つまり、井戸層１６ａは井戸層１７ａよりも大なるＩｎ組成を有する。更に、発光層１７の障壁層１７ｂのＩｎ組成Ｘ_０（例えば０．００５）は第１の多重量子井戸構造層１５の障壁層１５ｂのＩｎ組成よりも大である。尚、発光層１７の井戸層１７ａ及び障壁層１７ｂ各々のＩｎ組成及び層厚は、所望とする発光波長に応じて適宜設定されるものである。

ｐ−ＡｌＧａＮ層１８は、発光層１７上に形成されており、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）半導体結晶からなる層厚約２０ｎｍのｐ型の半導体層である。ｐ−ＧａＮ層１９は、ｐ−ＡｌＧａＮ層１８上に形成されており、ＧａＮ系半導体結晶からなる層厚約１００ｎｍのｐ型の半導体層である。

上記した半導体発光素子は、例えば有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤと称する）法によって製造される。図４は、ＭＯＣＶＤ装置（図示せぬ）による半導体発光素子の製造手順を示すフロー図である。

図４において、ＭＯＣＶＤ装置は、リアクタ（図示せぬ）内にサファイア基板１１が設置されると、先ず、基板１１の温度（成長温度）を約１１００℃に調整した状態で１０分間に亘りアニール処理を行う。そして、基板１１の温度が約５００℃に調整され、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ_３）からなる原料ガスがリアクタ内に供給される。これにより、ＧａＮ結晶からなる、例えば層厚約２０ｎｍの低温バッファ層１２を形成する（低温バッファ層形成工程Ｓ１）。

次に、基板１１の温度が約１１００℃に調整され、ＴＭＧ及びＮＨ_３からなる原料ガスが引き続きリアクタ内に供給される。これにより、ＧａＮ結晶からなる、例えば層厚約２μｍのアンドープＧａＮ層１３を低温バッファ層１２上に形成する（アンドープＧａＮ層形成工程Ｓ２）。

次に、基板１１の温度が約１０００〜１２００℃に調整され、シラン（ＳｉＨ_４）を含むドーパントガスと、ＴＭＧ及びＮＨ_３からなる原料ガスとがリアクタ内に供給される。これにより、シリコンがドープされたキャリア濃度８×１０^１９ｃｍ^-3のｎ型のＧａＮ系半導体結晶からなる層厚約４μｍのｎ−ＧａＮ層１４をアンドープＧａＮ層１３上に形成する（ｎ−ＧａＮ層形成工程Ｓ３）。

次に、基板１１の温度が約８００〜９００℃に調整され、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ及びＮＨ_３がリアクタ内に供給される。これにより、Ｉｎ組成（Ｘ）が約０．２４のＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる層厚約４ｎｍの井戸層１５ａをｎ−ＧａＮ層１４上に形成する。次に、ＴＭＧ及びＮＨ_３からなる原料ガスを用い、ＴＭＩの供給を停止又はその供給量を低減することにより、ＧａＮ結晶又はＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる層厚約４ｎｍの障壁層１５ｂを井戸層１５ａ上に形成する。上述した井戸層１５ａ及び障壁層１５ｂを形成する一連の処理を複数回に亘り繰り返し実行することにより、井戸層１５ａ及び障壁層１５ｂが交互に積層（例えば４層の井戸層１５ａを有する）された第１の多重量子井戸構造層１５を、ｎ−ＧａＮ層１４上に形成する（第１の多重量子井戸構造層形成工程Ｓ４）。

次に、基板１１の温度を約８００〜９００℃に維持したまま、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ_３をリアクタ内に供給することにより、Ｉｎ組成（Ｘ）が約０．２８のＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる層厚約３ｎｍの井戸層１６ａを形成する。次に、ＴＭＩの供給量を減らすことにより、井戸層１６ａ上に、Ｉｎ組成（Ｘ）が約０．００５のＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる層厚約５ｎｍの障壁層１６ｂを形成する。上述した井戸層１６ａ及び障壁層１６ｂを形成する一連の処理を複数回に亘り繰り返し実行することにより、井戸層１６ａ及び障壁層１６ｂが交互に積層（例えば４層の井戸層１６ａを有する）されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する第２の多重量子井戸構造層１６を、第１の多重量子井戸構造層１５上に形成する（第２の多重量子井戸構造層形成工程Ｓ５）。

次に、基板１１の温度を約８００〜９００℃に維持したまま、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ_３からなる原料ガスをリアクタ内に供給することにより、Ｉｎ組成（Ｘ）が約０．２４のＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる層厚約３ｎｍの井戸層１７ａを形成する。次に、ＴＭＩの供給量を減らすことにより、井戸層１７ａ上に、Ｉｎ組成（Ｘ）が約０．００５のＩｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｎ結晶からなる層厚約５ｎｍの障壁層１７ｂを形成する。上述した井戸層１７ａ及び障壁層１７ｂを形成する一連の処理を複数回に亘り繰り返し実行することにより、井戸層１７ａ及び障壁層１７ｂが交互に積層（例えば７層の井戸層１７ａを有する）されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する発光層１７を、第２の多重量子井戸構造層１６上に形成する（発光層形成工程Ｓ６）。

次に、基板１１の温度を約８００〜９００℃に維持したまま、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を含むドーパントガスと、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びＮＨ_３からなる原料ガスと、がリアクタ内に供給される。これによりＭｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ半導体結晶からなるｐ−ＡｌＧａＮ層１８を、発光層１７上に形成する（ｐ−ＡｌＧａＮ層形成工程Ｓ７）。

次に、ＴＭＡの供給を停止し、Ｃｐ_２Ｍｇを含むドーパントガスと、ＴＭＧ及びＮＨ_３からなる原料ガスとを用いて、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ系半導体結晶からなる層厚約１００ｎｍのｐ−ＧａＮ層１９をｐ−ＡｌＧａＮ層１８上に形成する（ｐ−ＧａＮ層形成工程Ｓ８）。

このように、本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型の第１のＧａＮ系半導体層としてのｎ−ＧａＮ層１４上に、第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６、発光層１７、及び第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２のＧａＮ系半導体層（１８、１９）を順に積層した構造を有する。尚、第１の多重量子井戸構造層１５は、ＩｎＧａＮ結晶からなる第１の井戸層としての井戸層１５ａと、ＧａＮ結晶又はこの井戸層１５ａよりも小さいＩｎ組成のＩｎＧａＮ結晶からなる第１の障壁層としての障壁層１５ｂとが交互に繰り返し積層された構造を有する。また、第２の多重量子井戸構造層１６は、ＩｎＧａＮ結晶からなる第２の井戸層としての井戸層１６ａと、この井戸層１６ａよりも小さいＩｎ組成のＩｎＧａＮ結晶からなる第２の障壁層としての障壁層１６ｂと、が交互に繰り返し積層された構造を有する。尚、第２の多重量子井戸構造層１６の障壁層１６ｂのＩｎ組成は上記した第１の多重量子井戸構造層１５の障壁層１５ｂのＩｎ組成よりも大きい。また、発光層１７は、ＩｎＧａＮ結晶からなる第３の井戸層としての井戸層１７ａと、この井戸層１７ａよりも小さいＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第３の障壁層としての障壁層１７ｂとが交互に繰り返し積層された構造を有する。この際、第１の多重量子井戸構造層１５における井戸層１５ａのＩｎ組成は、発光層１７における井戸層１７ａのＩｎ組成以下であり、第２の多重量子井戸構造層１６における井戸層１６ａのＩｎ組成は発光層１７における井戸層１７ａのＩｎ組成より大となっている。

図５は、ＳＩＭＳ（secondary-ion mass spectrometry）分析によって測定した、上記第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６、及び発光層１７のＩｎ組成分布（深さ方向のＳＩＭＳプロファイル）を示す図である。尚、図５に示されるＩｎ組成分布は、深さ方向における第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６、及び発光層１７のＩｎ組成の分布を表すものである。

図５に示されるように、第１の多重量子井戸構造層１５における井戸層１５ａのＩｎ組成は、発光層１７における井戸層１７ａのＩｎ組成Ｘ_１と等しい、或いは以下であれば良い。更に、図５に示されるように、第２の多重量子井戸構造層１６の井戸層１６ａのＩｎ組成Ｘ_２は、発光層１７における井戸層１７ａのＩｎ組成Ｘ_１よりも大となっている。

このように、本発明に係る半導体発光素子では、発光層１７における井戸層１７ａのＩｎ組成よりも大なるＩｎ組成を有する井戸層１６ａを含む多重量子井戸構造の第２の多重量子井戸構造層１６を、発光層１７の下面に設けるようにしている。

図６（ａ）は、第２の多重量子井戸構造層１６における井戸層１６ａのＩｎ組成Ｘ_２と、外部量子効率との対応関係を示す図である。尚、図６（ａ）において、実線は、電流密度Ｊ＝３５Ａ／ｃｍ^２でのＩｎ組成に対する外部量子効率を表し、破線は、電流密度Ｊ＝７０Ａ／ｃｍ^２でのＩｎ組成に対する外部量子効率を表し、一点鎖線は、電流密度Ｊ＝１００Ａ／ｃｍ^２でのＩｎ組成に対する外部量子効率を表わしている。図６（ａ）に示すように、電流密度が３５又は７０Ａ／ｃｍ^２の際はＩｎ組成の増加に対する外部量子効率の変化は微量であるが、電流密度が１００Ａ／ｃｍ^２の際は、Ｉｎ組成の増加に伴い外部量子効率が顕著に増加することが確認された。

図６（ｂ）は、第２の多重量子井戸構造層１６における井戸層１６ａのＩｎ組成Ｘ_２と、ドループ率との関係を示す図である。尚、図６（ｂ）において、実線は、電流密度Ｊ＝３５Ａ／ｃｍ^２の電流を供給した場合でのＩｎ組成に対するドループ率を表し、破線は、電流密度Ｊ＝７０Ａ／ｃｍ^２の電流を供給した場合でのＩｎ組成に対するドループ率を表し、一点鎖線は、電流密度Ｊ＝１００Ａ／ｃｍ^２でのＩｎ組成に対するドループ率を表わしている。図６（ｂ）に示すように、電流密度が３５又は７０Ａ／ｃｍ^２の際はＩｎ組成の増加に対するドループ率の変化は微量であるが、電流密度が１００Ａ／ｃｍ^２の際は、Ｉｎ組成の増加に伴いドループ率が顕著に低下することが確認された。

図６（ｃ）は、電流密度に対する正規化外部量子効率の推移を表す図である。尚、図６（ｃ）において、実線は、第２の多重量子井戸構造層１６として、Ｉｎ組成が極めて小、つまり実質的に０のＧａＮ単一層からなる構造を採用した場合に得られる特性である。また、図６（ｃ）の一点鎖線は、第２の多重量子井戸構造層１６として、上記実施例の如きＩｎ組成が０．２８の井戸層１６ａ及びＩｎ組成が０．００５の障壁層１６ｂからなる多重量子井戸構造を採用した場合に得られる特性である。図６（ｃ）に示されるように、電流密度が７０Ａ／ｃｍ^２より少ない場合には、第２の多重量子井戸構造層１６のＩｎ組成が０であるか０．２８であるかに拘わらず正規化外部量子効率に変化は見られない。しかしながら、電流密度Ｊ＝７０Ａ／ｃｍ^２以上の電流を供給した場合での外部量子効率は、第２の多重量子井戸構造層１６のＩｎ組成が０である場合よりも０．２８である場合の方が高くなることが確認された。

尚、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、図３に示すＩｎ組成Ｘ_０が０．００５、Ｉｎ組成Ｘ_１が０．２４である場合における、多重量子井戸構造層の井戸層１６ａのＩｎ組成と、外部量子効率、ドループ率、及び正規化外部量子効率各々の関係を示すものである。

すなわち、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示されるように、発光層１７におけるＩｎ組成よりも大なるＩｎ組成（例えば０．２８）を有する井戸層１６ａを含む多重量子井戸構造の第２の多重量子井戸構造層１６を発光層１７の下面に設けることにより、外部量子効率を向上、且つドループ率を抑制することが可能となる。

ところで、発光層１７よりもＩｎ組成が大きい第２の多重量子井戸構造層１６を直接、ｎ−ＧａＮ層１４上に形成した場合には、第２の多重量子井戸構造層１６の格子定数とｎ−ＧａＮ層１４の格子定数との差により、格子不整合に伴う格子欠陥が生じ、この格子欠陥により、外部量子効率の低下及びドループ率の増加を招く虞が生じる。

そこで、本発明に係る半導体発光素子では、ｎ−ＧａＮ層１４及び第２の多重量子井戸構造層１６間に、発光層１７における井戸層１７ａのＩｎ組成以下のＩｎ組成を有する井戸層１５ａと、障壁層１５ｂとが交互に積層されてなる第１の多重量子井戸構造層１５を設けるようにしている。これにより、ｎ−ＧａＮ層１４及び第２の多重量子井戸構造層１６間の格子定数の差を少なくしているのである。

よって、かかる構成によれば、格子不整合に伴う格子欠陥が抑制され、且つこの格子欠陥に起因する外部量子効率の低下及びドループ率の増大が抑えられるようになるので、発光効率を向上させることが可能となる。

尚、上記実施例では、第２の多重量子井戸構造層１６に含まれる複数の井戸層１６ａ各々のＩｎ組成を、図３に示す如く、全て同一のＩｎ組成Ｘ_２（例えば、０．２８）としているが、必ずしも全て同一にする必要はない。

例えば、図７に示す如く、第２の多重量子井戸構造層１６内において、最も第１の多重量子井戸構造層１５に近い位置に形成されている井戸層１６ａのＩｎ組成を最大のＸ_２とし、第２番目に第１の多重量子井戸構造層１５に近い位置に形成されている井戸層１６ａのＩｎ組成をＩｎ組成Ｘ_２よりも低く且つ発光層１７におけるＩｎ組成Ｘ_１よりも高いＩｎ組成Ｘ_１５とする。尚、図７に示す一例では、４層分の井戸層１６ａ及び障壁層１６ｂによって第２の多重量子井戸構造層１６を構築するようにしているが、その積層数は４つに限定されない。要するに、第２の多重量子井戸構造層１６内に形成されているｎ個（ｎは２以上の整数）の井戸層１６ａ各々のＩｎ組成が、発光層１７に近い位置に配置されているものほど小さくなっていれば良いのである。つまり、図４に示す第２の多重量子井戸構造層形成工程Ｓ５においてｎ層分の井戸層１６ａ及び障壁層１６ｂを形成するにあたり、発光層１７に近い位置に配置されている井戸層１６ａほどＩｎ組成が小さくなるように、第１の多重量子井戸構造層１５側から発光層１７側に向けてＴＭＩの供給量を段階的に減らして行くのである。この際、第２の多重量子井戸構造層１６内において、最も発光層１７に近い位置に形成されている井戸層１６ａのＩｎ組成を、発光層１７の井戸層１７ａのＩｎ組成Ｘ_１と同一又は僅かに大なるＩｎ組成とするのが好ましい。

尚、上記実施例において示される第１の多重量子井戸構造層１５、第２の多重量子井戸構造層１６及び発光層１７各々内でのＩｎ組成（Ｘ）の値、各層の層厚及び層数等は例示に過ぎず、適宜改変しても良い。

１１ サファイア基板
１２ 低温バッファ層
１３ アンドープＧａＮ層
１４ ｎ−ＧａＮ層
１５ 第１の多重量子井戸構造層
１６ 第２の多重量子井戸構造層
１７ 発光層
１８ ｐ−ＡｌＧａＮ層
１９ ｐ−ＧａＮ層

Claims (6)

1. 第１導電型の第１のＧａＮ系半導体層と、
   ＩｎＧａＮ結晶からなる第１の井戸層と、前記第１の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶又はＧａＮ結晶からなる第１の障壁層とが交互に繰り返し積層され、前記第１のＧａＮ系半導体層上に形成された第１の多重量子井戸構造層と、
   ＩｎＧａＮ結晶からなる第２の井戸層と、前記第２の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第２の障壁層とが交互に繰り返し積層され、前記第１の多重量子井戸構造層上に形成された第２の多重量子井戸構造層と、
   ＩｎＧａＮ結晶からなる第３の井戸層と、前記第３の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第３の障壁層とが交互に繰り返し積層され、前記第２の多重量子井戸構造層上に形成された多重量子井戸発光層と、
   前記多重量子井戸発光層上に形成された、第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２のＧａＮ系半導体層と、を有し、
   前記第１の井戸層のインジウム組成は前記第３の井戸層のインジウム組成以下であり、前記第２の井戸層のインジウム組成は前記第３の井戸層のインジウム組成より大きいことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第２の多重量子井戸構造層内において、前記多重量子井戸発光層に近い位置に形成されている前記第２の井戸層ほどインジウム組成が小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２の障壁層及び前記第３の障壁層のインジウム組成は前記第１の障壁層のインジウム組成よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 基板上に第１導電型の第１のＧａＮ系半導体層を形成する工程と、
   前記第１のＧａＮ系半導体層上に、ＩｎＧａＮ結晶からなる第１の井戸層と、前記第１の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶又はＧａＮ結晶からなる第１の障壁層とが交互に繰り返し積層されてなる第１の多重量子井戸構造層を形成する工程と、
   前記第１の多重量子井戸構造層上に、前記第１の井戸層よりもインジウム組成が大きいＩｎＧａＮ結晶からなる第２の井戸層と、前記第２の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第２の障壁層とが交互に繰り返し積層されてなる第２の多重量子井戸構造層を形成する工程と、
   前記第２の多重量子井戸構造層上に、前記第２の井戸層よりもインジウム組成が小さいＩｎＧａＮ結晶からなる第３の井戸層と、前記第３の井戸層よりも小なるインジウム組成を有するＩｎＧａＮ結晶からなる第３の障壁層とが交互に繰り返し積層されてなる多重量子井戸発光層を形成する工程と、
   前記多重量子井戸発光層上に、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２のＧａＮ系半導体層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
5. 前記第２の多重量子井戸構造層を形成する工程では、前記多重量子井戸発光層に近い位置に形成する前記第２の井戸層ほどインジウム組成を小さくすることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記第２の多重量子井戸構造層を形成する工程、及び前記多重量子井戸発光層を形成する工程では、前記第１の障壁層よりもインジウム組成が大きいＩｎＧａＮ結晶からなる前記第２の障壁層及び前記第３の障壁層を形成することを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体発光素子の製造方法。

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