JP2017045787A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の緑色系発光蛍光体／赤色系発光蛍光体との組合せでも色再現性や変換効率（明るさ）を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層と、を備え、前記多重量子井戸発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層と、第１発光層とを備え、前記第１発光層は、少なくとも１つの第１量子井戸層を備え、前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記第１量子井戸層よりも層厚が小さいことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置は、低消費電力、小型化、高輝度、さらには広範囲な色再現性が期待される次世代の発光装置として注目され、活発に研究、開発が行なわれている。発光素子から発せられる一次光は、通常、長波長の紫外線から青色の範囲、すなわち３８０〜４８０ｎｍのものが用いられる。そして、これらの発光素子と様々な蛍光体を用いた波長変換部とを組合せた発光装置が実現している。

特に、４５０ｎｍ前後に発光ピークを有する青色発光素子と蛍光体とを組合せた白色発光装置は、一般照明用途や液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ））用バックライトなどに広く用いられている。

これらの白色ＬＥＤ発光装置には、より色再現性が良好でより変換効率（明るさ）の高いものや温度特性の良好なものが求められており、たとえば、Ｅｕ_ａＳｉ_ｂＡｌ_ｃＯ_ｄＮ_ｅなどのβ型ＳｉＡｌＯＮである２価のユーロピウム付活酸窒化物緑色系発光蛍光体と、（Ｃａ，Ｅｕ）ＡｌＳｉＮ_３などの２価のユーロピウム付活窒化物赤色系発光蛍光体やＫ_２（Ｓｉ，Ｍｎ）Ｆ_６などのマンガン付活フッ化物赤色系蛍光体とを組合せた白色発光装置を用いることにより、従来よりも色再現性が良好で変換効率（明るさ）が高く温度特性の良好な白色発光装置が実現されてきている（たとえば、特開２００７−１８０４８３号公報（特許文献１）、国際公開第２００９／１１０２８５号（特許文献２）など）。

一方、上記蛍光体と組み合わせる発光素子としては、窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる窒化物半導体発光素子が一般的に用いられる。窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（以下、「窒化物半導体材料」と呼ぶ）は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップを有している。そのため、窒化物半導体材料は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子の材料や、その領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料などに有用である。

上記の特性を有する窒化物半導体材料を用いた窒化物半導体発光素子においては、発光層に量子井戸構造が採用されることが一般的である。発光層に量子井戸構造を採用した窒化物半導体発光素子に電圧が印加されると、発光層の量子井戸層において、電子とホールとが再結合されて光が発生する。量子井戸構造を有する発光層としては、単一量子井戸（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）構造であってもよいが、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造とする場合が多い。

発光層に量子井戸構造を採用した窒化物半導体発光素子については、発光層のＭＱＷ構造を工夫することによって、所望の特性を得ようとする試みがいくつかなされている。たとえば、特開２００７−１４２４２６号公報（特許文献３）には、互いに異なる波長光を放出する複数の活性層を有する窒化物半導体発光素子から発生される色分布のバラツキを活性層の配置と数で解決することを目的とした窒化物半導体発光素子が開示されている。特許文献３には、複数の活性層のうち短波長である活性層をｐ型窒化物層側に隣接するように配置し、さらにその量子井戸層数を長波長である活性層の数より少なくすることによって、互いに異なる波長光を有する複数の活性層の固有な発光が所望のレベルの分布を有することができ、モノリシック白色発光素子を実現可能であると記載されている。

米国特許出願公開第２０１１／０１８７２９４号明細書（特許文献４）には、活性層中の複数の量子井戸層の層厚やＩｎ（インジウム）組成を様々に変化させることにより、光出力の向上が可能であることが記載されている。たとえば、ｐ層側の井戸層の層厚をｎ層側の井戸層の層厚より大きくし、かつ、ｐ層側の井戸層のＩｎ組成をｎ層側の井戸層の井戸層のＩｎ組成より小さくすることが記載されている。

特開２００７−１８０４８３号公報 国際公開第２００９／１１０２８５号 特開２００７−１４２４２６号公報 米国特許出願公開第２０１１／０１８７２９４号明細書

従来の青色発光素子と緑色系発光蛍光体／赤色系発光蛍光体とを組合せた白色発光装置では、改善はされてきてはいるものの、さらなる色再現性や変換効率（明るさ）の向上が求められている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、従来の緑色系発光蛍光体／赤色系発光蛍光体との組合せでも色再現性や変換効率（明るさ）を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することにある。

本発明者らは、青色発光素子と緑色系発光蛍光体／赤色系発光蛍光体との組合せに、さらに該青色発光素子よりも発光波長が短く、紫外光または青紫色光を放射する発光素子を使用することで、発光装置への入力エネルギーを高くしなくても高い変換効率（明るさ）が得られることを見出した。さらに、本発明者らは、所望の発光波長で発光が可能な第１量子井戸層と、第１量子井戸層よりもｐ型半導体層側に前記第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、第１量子井戸層よりも層厚が小さい第２の量子井戸層を設けることにより、高い発光効率を有する窒化物半導体発光素子を提供することができることを見出した。

本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層と、を備え、前記多重量子井戸発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層と、第１発光層とを備え、前記第１発光層は、少なくとも１つの第１量子井戸層を備え、前記第２発光層は、少なくとも１つの第２量子井戸層を備え、前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記第１量子井戸層よりも層厚が小さいことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第２量子井戸層は複数層で形成されていることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第１量子井戸層よりｎ層側に、さらに複数の第３量子井戸層が形成されていることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第２量子井戸層と前記第３量子井戸層との層厚が略等しいことが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第２量子井戸層の層厚は２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明は、青色光を放射する第１発光層と、（近）紫外光を放射する第２発光層をモノリシックに備えた窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、色再現性や変換効率（明るさ）を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。さらに、所望の発光波長で発光が可能な第１の量子井戸層と、第１量子井戸層よりもｐ型半導体層側に前記第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、第１量子井戸層よりも層厚が小さい第２の量子井戸層を設けることにより、高い発光効率を有する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一例である実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子に好適に用いられる多重量子井戸発光層１４のバンドギャップエネルギー図の一例である。 実施例２で作製された窒化物半導体発光素子における多重量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図である。 実施例３で作製された窒化物半導体発光素子における多重量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図である。 実施例３で作製された窒化物半導体発光素子の外部量子効率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＥＱＥ）と印加電流密度依存性を、比較例１と比較して示すグラフであり、縦軸はＥＱＥ、横軸は電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ^２）である。 実施例３および比較例１で作製された窒化物半導体発光素子の発光スペクトルであり、縦軸は光出力（ａ．ｕ．）、横軸は波長（ｎｍ）である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

また、本明細書中において、「バリア層」は量子井戸層に挟まれた層を指す。量子井戸層に挟まれていない層は「最初のバリア層」または「最後のバリア層」と表記し、量子井戸層に挟まれた層とは表記を変えている。

また、本明細書中において、「ドーパント濃度」という用語と、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントのドープに伴い発生する電子およびホールの濃度である「キャリア濃度」という用語とを用いているが、その関係については後述する。

また、本明細書中において、「キャリアガス」とは、ＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガスおよびドーパント原料ガス以外のガスである。キャリアガスを構成する原子は窒化物半導体層などには取り込まれない。

また本明細書中において、「ｎ型窒化物半導体層」は、その中に電子の流れを実用上妨げない程度の厚さの低キャリア濃度のｎ型窒化物半導体層あるいはアンドープ層を含んでいてもよい。

また、本明細書中において、「ｐ型窒化物半導体層」についても、ホールの流れを実用上妨げない程度の厚さの低キャリア濃度のｐ型窒化物半導体層あるいはアンドープ層を含んでいてもよい。「実用上妨げない」とは窒化物半導体発光素子の動作電圧が実用的なレベルであることをいう。

［窒化物半導体発光素子の構成］
図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である実施の形態の窒化物半導体発光素子１の模式的な断面図を示す。図１に示す例の窒化物半導体発光素子１は、基板３と、基板３上に、順次設けられた、バッファ層５と、窒化物半導体下地層７と、ｎ型コンタクト層８と、低温ｎ型窒化物半導体層１０（ｖピット発生層）と、窒化物半導体多層構造体１２０と、多重量子井戸発光層１４と、３層のｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８とを備えている。

ｐ型窒化物半導体層１８上には透明電極層２３が設けられており、透明電極層２３上にはｐ電極２５が設けられている。また、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層８の上面にＡｕなどからなるｎ電極２１が備わり、ｎ電極２１の表面の一部およびｐ電極２５の表面の一部を露出させるように、窒化物半導体発光素子の表面は透明絶縁保護膜２７で覆われている。

［基板］
基板３としては、たとえば、サファイアなどの絶縁性基板、またはＧａＮ、ＳｉＣ若しくはＺｎＯなどの導電性基板を用いることができる。基板３の厚さは特に限定されないが、窒化物半導体層の成長時における基板の厚さは、９００μｍ以上１２００μｍであることが好ましく、窒化物半導体発光素子の使用時の基板の厚さは、５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。

基板３の上面には、凸部３ａおよび凹部３ｂが形成されてもよい。凸部および凹部の形状は特に限定されないが、凸部は、平面視において、略正三角形の頂点に配された略円形であることが好ましく隣り合う凸部の頂点の間隔は１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。また、凸部の断面形状は台形状であってもよく、台形の頂点部が丸みを帯びた形状であることがより好ましい。

なお、基板３は、基板上への窒化物半導体層の成長後に除去されることによって、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板を有していない窒化物半導体発光素子としてもよい。

［バッファ層］
バッファ層５としては、たとえばＡｌ_ｓ０Ｇａ_ｔ０Ｏ_ｕ０Ｎ_１−ｕ０（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、０≦ｕ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）からなる式で表わされる窒化物半導体層を用いることが好ましく、ＡｌＮ層またはＡｌＯＮ層であることがより好ましい。

ここで、バッファ層５を構成するＡｌＯＮ層としては、Ｎのごく一部（０．５原子％以上２原子％以下）が酸素に置き換えられていることが好ましい。この場合には、基板の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層が形成されるため、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層５を得ることができる。

バッファ層５の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

後述する窒化物半導体下地層は公知のスパッタ法により形成されたＡｌＯＮ層を用いることにより結晶性が向上する。窒化物半導体下地層の結晶性は、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅で確認できる。

［窒化物半導体下地層］
窒化物半導体下地層７は、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、バッファ層５の表面上に形成することができる。

窒化物半導体下地層７としては、たとえば、Ａｌ_ｘ０Ｇａ_ｙ０Ｉｎ_ｚ０Ｎ（０≦ｘ０≦１、０≦ｙ０≦１、０≦ｚ０≦１、ｘ０＋ｙ０＋ｚ０≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を用いることができる。

窒化物半導体下地層７としては、柱状結晶の集合体からなるバッファ層中の転位などの結晶欠陥を引き継がないようにするために、ＩＩＩ族元素としてＧａを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。

窒化物半導体下地層７としては、たとえば、ｎ型ドーパントが１×１０^１７個／ｃｍ^３以上１×１０^１９個／ｃｍ^３以下の範囲でドーピングされていてもよい。しかしながら、良好な結晶性を維持する観点からは、窒化物半導体下地層７はアンドープであることが好ましい。

窒化物半導体下地層７にドープされるｎ型ドーパントとしては、たとえば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選択された少なくとも１種などを用いることができる。中でも、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉを用いることが好ましい。窒化物半導体下地層にドープされるｎ型ドーパントにＳｉを用いた場合には、ｎ型ドーピングガスとしては、シランまたはジシランを用いることが好ましい。

窒化物半導体下地層７の層厚をできるだけ大きくすることによって、窒化物半導体下地層中の欠陥は減少するが、窒化物半導体下地層７の層厚をある程度以上大きくしたとしても窒化物半導体下地層における欠陥減少効果が飽和する。これにより、窒化物半導体下地層７の層厚は、１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましい。

［ｎ型コンタクト層］
ｎ型コンタクト層８としては、たとえば、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_ｚ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることができる。中でも、ｎ型コンタクト層８としては、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、好ましくは０≦ｘ２≦０．５、より好ましくは０≦ｘ２≦０．１）層にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることがより好ましい。

ｎ型コンタクト層８にドープされるｎ型ドーパントは特に限定されないが、たとえば、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂからなる群から選択された少なくとも１種などを用いることができる。中でも、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉを用いることが好ましい。同様のことが、後述する層にもいえる。ｎ型コンタクト層のｎ型ドーパント濃度は、特に限定されないが、１×１０^１９個／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

ｎ型コンタクト層８の層厚はできるだけ大きい方がｎ型コンタクト層の抵抗は減少する。一方、ｎ型コンタクト層８の層厚を大きくした場合には窒化物半導体発光素子の製造コストの上昇を招く。両者の兼ね合いから、ｎ型コンタクト層８の層厚は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましいが、特に限定されない。

なお、後述する実施例では、ｎ型ＧａＮ層の成長を一旦中断させてから、同一のｎ型ＧａＮ層を再び成長させるという２つの成長工程によって、ｎ型コンタクト層８を形成している。しかしながら、ｎ型コンタクト層の形成方法およびその構成はこれに限定されるものではない。

たとえば、ｎ型コンタクト層８は、単層であってもよく、２層以上の複数層であってもよい。ｎ型コンタクト層が複数層である場合には、それぞれの層が同一の組成からなっていてもよく、少なくとも１層が異なる組成であってもよい。ｎ型コンタクト層が複数層である場合には、それぞれの層が同一の層厚であってもよく、少なくとも１層が異なる層厚であってもよい。

［低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）］
低温ｎ型窒化物半導体層１０としては、たとえば、一般式Ａｌ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｚ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）で表わされる窒化物半導体材料からなる層にｎ型ドーパントがドープされた層を用いることができる。好ましくは、一般式Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、好ましくは０≦ｘ２≦０．３、より好ましくは０≦ｘ２≦０．１）で表される窒化物半導体材料からなる層または一般式Ｉｎ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０≦ｚ２≦１、好ましくは０≦ｚ２≦０．３、より好ましくは０≦ｚ２≦０．１）で表される窒化物半導体材料からなる層にｎ型ドーパントがドープされた層を用いる。

低温ｎ型窒化物半導体層１０のｎ型ドーパント濃度は、好ましくはｎ型コンタクト層のｎ型ドーパント濃度よりも低く、より好ましくは１×１０^１９／ｃｍ^３以下である。なお、低温ｎ型窒化物半導体層はアンドープ層であっても良い。

低温ｎ型窒化物半導体層１０の層厚は特に限定されないが、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。

低温ｎ型窒化物半導体層１０は積層構造を有していてもよく、この場合、低温ｎ型窒化物半導体層１０のｎ型ドーパント濃度は、低温ｎ型窒化物半導体層を構成する層のそれぞれに含まれるｎ型ドーパント量の合計を低温ｎ型窒化物半導体層の体積で除することにより求められる。

また、低温ｎ型窒化物半導体層１０はＶピット構造の発生の開始点となる機能を有する。ここで「Ｖピット構造」とは、貫通転位に起因して発生し、低温ｎ型窒化物半導体層の内部から発光層の上面（ｐ型窒化物半導体層側に位置する発光層の面）へ向かって拡径する形状を有する結晶欠陥を意味する。このＶピット構造は、低温ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体多層構造体と、多重量子井戸層とに部分的に形成されている。

［窒化物半導体多層構造体］
窒化物半導体多層構造体１２０は、たとえば一般式Ａｌ_ｘ４Ｇａ_ｙ４Ｉｎ_ｚ４Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｘ４＋ｙ４＋ｚ４≠０）とＡｌ_ｘ５Ｇａ_ｙ５Ｉｎ_ｚ５Ｎ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｘ５＋ｙ５＋ｚ５≠０）からなるバンドギャップエネルギーの異なる２つの層を繰り返し積層することで形成される。窒化物半導体多層構造の組成は多重量子井戸発光層１４からの発光を吸収しない、つまり、多重量子井戸発光層１４より高いバンドギャップエネルギーを取りうる材料ならいかなる組み合わせも許されるが、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層とＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層を繰り返し積層した構造が多重量子井戸発光層１４の結晶性が向上し、より好ましい。

［多重量子井戸発光層］
図２に、本発明の窒化物半導体発光素子に好適に用いられる多重量子井戸発光層１４のバンドギャップエネルギー図の一例を示す。図２の横軸は積層方向の層厚を示しており、左方向がｐ型窒化物半導体層に近い側を意味している。また、図の縦軸はバンドギャップエネルギーの大きさを示しており、上方向にバンドギャップエネルギーが大きいことを意味している。

図２に示す例では、多重量子井戸発光層１４は、ｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２波長の発光層（第２発光層）１４２と、第１波長の発光層（第１発光層）１４１とを備えている。また、図２に示す例では、第１発光層１４１、第２発光層１４２はそれぞれ１層の量子井戸層を備える（すなわち、第１発光層＝第１量子井戸層、第２発光層＝第２量子井戸層）。

また、第２波長の発光層（第２発光層）１４２と、第１波長の発光層（第１発光層）１４１との間にはバリア層１４Ｂが備わる。

窒化物半導体多層構造体１２０の直上、つまり第１発光層１４１に接する層には、最初のバリア層１４ＡＺが設けられている。最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する第２発光層１４２の直上にはバリア層（最後のバリア層）１４Ｂ０が設けられている。

第１発光層１４１、第２発光層１４２、最初のバリア層１４ＡＺ、最後のバリア層１４Ｂ０の材料は任意に設定できるが、たとえば、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物半導体からなる。各層のバンドギャップエネルギーはｘ、ｙ、ｚの値を変えることで調整が可能で、たとえばＧａＮに対しＩｎ濃度を高くすることでバンドギャップエネルギーは小さくなり、ＧａＮに対しＡｌ濃度を高くすることでバンドギャップエネルギーは大きくなる。

第２量子井戸層と第１量子井戸層のバンドギャップエネルギーについては、第２量子井戸層のバンドギャップエネルギーが第１量子井戸層のバンドギャップエネルギーより大きいことを条件に任意に設定できる。本発明の窒化物半導体発光素子１は、第２量子井戸層のバンドギャップエネルギーが第１量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことによって、第１量子井戸層の発光波長より第２量子井戸層の発光波長が短波長となり、第１発光層１４１からの発光のうち、チップ上面、すなわちｐ型窒化物半導体層側への発光が第２発光層で吸収されにくくなり、発光効率が向上する。また、ｐ型窒化物半導体層に近い第２発光層のバンドギャップエネルギーが大きいため、ホールがトラップされにくく、発光効率が向上する。

本発明の窒化物半導体発光素子１において、前記第２量子井戸層の層厚は前記第１量子井戸層よりも小さくすることで、発光効率が向上される。これは、以下の理由のためである。第１発光層（４５０ｎｍ）においては、第２発光層（４０５ｎｍ）に比べ、バリア層とのバンドギャップ差が大きいためホールの移動度が小さい。さらに、非発光再結合であるオージェ再結合レートはＩｎ組成の関数であり、それ故、青色発光効率のリミット要因である。そこで、第１発光層の活性領域においては１つあるいは２つの層厚の大きい発光層が、ホール注入を向上させ、非発光再結合であるオージェ再結合を最小化するために好ましい。なお、ここでいう「層厚」は、第１量子井戸層、第２量子井戸層を複数備える場合には、第１量子井戸層、第２量子井戸層の各個の層厚を意味し、総厚を意味しない。

一方、ホールの移動度は、第１発光層に比べ、バリア層とのバンドギャップ差が小さい、Ｉｎ組成比の少ない第２発光層の活性領域で良好であり、そのため後述の実施例でも示される多くの量子井戸層を用いることができる。さらに、オージェ再結合は、第１発光層に比べＩｎ組成が小さいため、あまり強くない。そのため、第２発光層の効率のリミット要因は欠陥密度となる。層厚の小さい量子井戸層は電子とホールの波動関数のオーバーラップを向上させ、発光再結合レートを向上させる。したがって、第２発光層の活性領域は、第１発光層に比べて、層厚の小さい量子井戸層を複数層備え、第１発光層の活性領域は、１つまたは２つの層厚の大きい量子井戸層を備えることが、好ましい。

なお、図２に示す例では、第１量子井戸層の層数を１つ（第１量子井戸層＝第１発光層１４１）、第２量子井戸層の層数を１つ（第２量子井戸層＝第２発光層１４２）としているが、後述の実施例でも示される通り、上述の条件を満たせばどちらの井戸層の層数も任意で設定できる。さらに、第２発光層の量子井戸層の数をコントロールすることにより発光スペクトルにおける第２波長と第１波長の比率をコントロールすることができる。

ここで、第２量子井戸層の層厚は、２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の範囲内であることがより好ましい。第２量子井戸層の層厚が２ｎｍ未満である場合には、注入された正孔（ホール）が第２発光層をオーバーフローしてしまい、発光効率が低下する傾向にあり、また、第２量子井戸層の層厚が５ｎｍを超える場合には、注入された正孔が第２量子井戸層にトラップされてしまい、第１量子井戸層に注入されにくくなってしまい、第１量子井戸層の発光効率が低下する傾向にある。

一方、第１量子井戸層の層厚は、好適には３ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲内、より好適には３．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の範囲内で、上述した第２量子井戸層の層厚よりも大きい。第１量子井戸層の層厚が３ｎｍ未満である場合には、第１量子井戸層からの発光効率が低くなる傾向にあり、また、第１量子井戸層の層厚が８ｎｍを超える場合には、第１量子井戸層の結晶欠陥が増大してしまい、非発光再結合確率が増加して発光効率が低下する傾向にある。

また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記第１量子井戸層よりｎ層側に、さらに複数の第３量子井戸層が形成されていてもよい。このような第３量子井戸層を備えることで、第１量子井戸層で再結合せずにオーバーフローした正孔が第３量子井戸層に注入されることによって発光効率が向上するという利点がある。このような第３量子井戸層についても、たとえば、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物半導体からなることが好ましい。

上述の第３量子井戸層をさらに備える場合、前記第２量子井戸層と前記第３量子井戸層との層厚が略等しいことが好ましい。ここで、層厚が「略等しい」であるとは、第３量子井戸層の層厚と第２量子井戸層の層厚との差が１ｎｍ以下であることを意味する。このように第３量子井戸層の層厚と第２量子井戸層の層厚とが「略等しい」ことで、第３量子井戸層の結晶欠陥が低減され、発光特性の良好な第３量子井戸層を形成できるという利点がある。

［ｐ型窒化物半導体層］
ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８としては、それぞれ独立に、たとえばＡｌ_ｓ４Ｇａ_ｔ４Ｉｎ_ｕ４Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層にｐ型ドーパントがドープされた層を用いることが好ましく、Ａｌ_ｓ４Ｇａ_{（１−ｓ４）}Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型ドーパントがドープされた層を用いることがより好ましい。

ｐ型ドーパントとしては特に限定されないが、たとえばマグネシウムを用いることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８におけるキャリア濃度は１×１０^１７個／ｃｍ^３以上であることが好ましい。ｐ型ドーパントの活性率は、０．０１程度であることから、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８におけるｐ型ドーパント濃度（キャリア濃度とは異なる）は１×１０^１９個／ｃｍ^３以上であることが好ましい。ただし、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８のうち、多重量子井戸発光層１４側に位置するｐ型窒化物半導体層１６におけるｐ型ドーパント濃度は１×１０^１９個／ｃｍ^３未満であることが好ましい。

ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８全体の層厚（各層厚の総計）は、特に限定されないが、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８全体の層厚を小さくすることにより、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８の成長時における加熱時間を短くすることができる。これにより、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８におけるｐ型ドーパントの拡散を抑制することができる。

［ｎ電極、透明電極、ｐ電極］
ｎ電極２１およびｐ電極２５は、窒化物半導体発光素子に駆動電力を供給するための電極である。図に示すように、ｎ電極２１およびｐ電極２５は、パッド電極部分のみで構成されているが、たとえば電流拡散を目的とする細長い突出部（枝電極）などがｎ電極２１および／またはｐ電極２５に接続されていてもよい。

また、ｐ電極２５よりも下に、電流がｐ電極２５に注入されることを防止するための絶縁層が設けられていることが好ましい。これにより、ｐ電極２５に遮蔽される発光量が減少する。

ｎ電極２１は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましい。ｎ電極２１に、ワイヤボンディングを行なう場合を想定すると、ｎ電極２１の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。

ｐ電極２５は、たとえば、ニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましく、ｎ電極２１と同一の材料から構成されていてもよい。ｐ電極２５にワイヤボンディングを行なう場合を想定すると、ｐ電極２５の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。

透明電極層２３は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜からなることが好ましく、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有していることが好ましい。

［キャリア濃度とドーパント濃度について］
キャリア濃度は電子またはホールの濃度を意味し、ｎ型ドーパントの量またはｐ型ドーパントの量だけでは決定されない。このようなキャリア濃度は窒化物半導体発光素子の電圧対容量特性の結果に基づいて算出されるものであり、電流が注入されていない状態のキャリア濃度のことを指しており、イオン化した不純物、ドナー化した結晶欠陥およびアクセプター化した結晶欠陥から発生したキャリアの合計である。

しかしながら、ｎ型キャリア濃度は、ｎ型ドーパントであるＳｉなどの活性化率が高いことから、ｎ型ドーパント濃度とほぼ同じと考えることができる。また、ｎ型ドーパント濃度はＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：二次イオン質量分析計）にて深さ方向の濃度分布を測定することにより容易に求めることができる。さらに、ドーパント濃度の相対関係（比率）は、キャリア濃度の相対関係（比率）とほぼ同じである。これらのことから、本明細書中では、実際に測定の容易なドーパント濃度で定義している。そして、測定により得られたｎ型ドーパント濃度を厚さ方向に平均すれば、平均ｎ型ドーパント濃度を得ることができる。

以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
まず、凸部と凹部とからなる凹凸形状が上面に形成されたサファイア基板３（直径が１５０ｍｍ）を準備した。凸部は、図１に示す凸部３ａの断面形状を有しており、高さが０．６μｍ程度の円錐形の先端部を有し（円錐形の底部における円の直径は１．２μｍ）、隣り合う頂点間隔は２μｍであった。また、凹部は、図１に示す凹部３ｂの断面形状を有していた。

凸部と凹部とが形成されたサファイア基板３の上面に対してＲＣＡ洗浄を行った。ＲＣＡ洗浄後のサファイア基板３を、チャンバーに設置して加熱した。窒素を含むアルゴン雰囲気下でのＡｌターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、基板の上面に、ＡｌＮ結晶からなるバッファ層５（層厚が２５ｎｍ）を形成した。

バッファ層５が形成されたサファイア基板３をＭＯＣＶＤ装置に入れ、サファイア基板３の温度を１０００℃とした。ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層５の上面に、アンドープＧａＮからなる窒化物半導体下地層７を成長させ、その後、窒化物半導体下地層７の上面に、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層８を成長させた。窒化物半導体下地層７の層厚Ｔ１（図１参照、窒化物半導体下地層７の上面とサファイア基板３上面の凹部３ｂ間の直線距離）は６μｍであり、ｎ型コンタクト層８の層厚Ｔ２（図１参照）は３μｍであった。また、ｎ型コンタクト層のｎ型ドーパント濃度は１×１０^１９／ｃｍ^３であった。

サファイア基板の温度を８０１℃に下げた後、ｎ型コンタクト層８の上面に、ＳｉドープＧａＮからなる低温ｎ型窒化物半導体層１０（Ｖピット発生層）（層厚が３０ｎｍ）を成長させた。低温ｎ型窒化物半導体層１０（Ｖピット発生層）のｎ型不純物の濃度は９×１０^１９／ｃｍ^３であった。

サファイア基板の温度を８０１℃に保持した状態で、窒化物半導体多層構造体１２０を成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮからなるワイドバンドギャップ層（層厚が１．５５ｎｍ）とＳｉドープＩｎＧａＮからなるナローバンドギャップ層（層厚が１．５５ｎｍ）とを交互に２０組、成長させた。窒化物半導体多層構造体１２０を構成するいずれの層においてもｎ型不純物の濃度は７×１０^１８／ｃｍ^３であった。ナローバンドギャップ層の組成はいずれにおいてもＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＝０．０４）であった。

次に、サファイア基板の温度を７６９℃に下げ、図２に示したような構造を備える第１発光層１４１を形成した。具体的には、まず、アンドープのＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（ｘ＝０．２）からなる第１量子井戸層を５．０ｎｍ積層し、アンドープのＧａＮからなるバリア層１４Ｂを４．０ｎｍ積層することで、第１波長（４５０ｎｍ）の第１発光層１４１とした。

次に基板温度を７９４℃まで昇温し、アンドープのＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ（ｙ＝０．０９）からなる第２量子井戸層を３．３８ｎｍ積層することで、第２波長（４０５ｎｍ）の第２発光層１４２とした。

次に、第２発光層の上面（具体的には最上層の第２量子井戸層の上面）に、アンドープＧａＮからなるバリア層（最後のバリア層１４Ｂ０）（層厚７．０ｎｍ）を成長させた。サファイア基板の温度を１０００℃に上げた後、最後のバリア層１４Ｂ０の上面に、ｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ層（ｐ型窒化物半導体層）１６、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層）１７およびｐ型コンタクト層（ｐ型窒化物半導体層）１８を順に成長させた。

ｎ型コンタクト層の一部分が露出するように、ｐ型コンタクト層１８、ｐ型ＧａＮ層１７、ｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ層１６、多重量子井戸発光層１４、窒化物半導体多層構造体１２０、低温ｎ型窒化物半導体層（Ｖピット発生層）１０およびｎ型コンタクト層８をエッチングした。このエッチングにより露出したｎ型コンタクト層８の上面にＡｕなどからなるｎ電極２１を形成した。また、ｐ型コンタクト層１８の上面に、ＩＴＯからなる透明電極層２３とＡｕなどからなるｐ電極２５とを順に形成した。透明電極層２３と上記エッチングによって露出した各層の側面とを主に覆うように、ＳｉＯ_２からなる透明絶縁保護膜２７を形成した。

次に、基板を１９０μｍ×９９０μｍサイズのチップに分割した。これにより、実施例１の窒化物半導体発光素子１が得られた。

＜実施例２＞
図３は、実施例２で作製された窒化物半導体発光素子における多重量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図である。実施例２では、第２波長（４０５ｎｍ）の第２発光層における第２量子井戸層の層数が３層となっている以外は実施例１と同様とした。

＜実施例３＞
図４は、実施例３で作製された窒化物半導体発光素子における多重量子井戸構造を示すバンドギャップエネルギー図である。実施例３では、第２波長（４０５ｎｍ）の第２発光層における第２量子井戸層の層数を３層とし、第１量子井戸層よりｎ層側に、さらに複数の第３の量子井戸層が３層形成され、第２量子井戸層と第３の量子井戸層との膜厚が略等しい以外は実施例１と同様とした。

＜比較例１＞
実施例３について発明の効果を検証するため、第１量子井戸層と第２量子井戸層の層厚が同じでそれ以外は実施例３と同様とする比較例１の窒化物半導体発光素子を作製した（第１量子井戸層の層厚を３．３８ｎｍとしたこと以外は図４に示した例と同様）。

図５は、実施例３で作製された窒化物半導体発光素子の外部量子効率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＥＱＥ）と印加電流密度依存性を、比較例１と比較して示すグラフであり、縦軸はＥＱＥ、横軸は電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ^２）である。比較例１のサンプルと比較して２Ａ／ｃｍ^２未満におけるＥＱＥは比較例１のサンプルより低くなるが、実用領域である２Ａ／ｃｍ^２以上におけるＥＱＥが高くなり、大電流駆動領域での発光強度の落ち込み、いわゆるドループ現象が改善された。これは実施例３の第１発光層の活性領域において、層厚の大きい発光層が、ホール注入を向上させ、非発光再結合であるオージェ再結合を最小化したためと考えられる。

また図６は、実施例３および比較例１で作製された窒化物半導体発光素子の発光スペクトルであり、縦軸は光出力（ａ．ｕ．）、横軸は波長（ｎｍ）である。実施例３で作製された窒化物半導体発光素子では、比較例１と比較して、４０５ｎｍのピーク強度比が大きくなり（近）紫外光の強度が強くなることで緑色系発光蛍光体／赤色系発光蛍光体との組合せても、さらに高い変換効率（明るさ）が得られることを確認した。

１ 窒化物半導体発光素子、３ 基板、５ バッファ層、７ 窒化物半導体下地層、８ ｎ型コンタクト層、１０ 低温ｎ型窒化物半導体層、１４ 多重量子井戸発光層、１６ ｐ型窒化物半導体層、１７ ｐ型窒化物半導体層、１８ ｐ型窒化物半導体層、２３ 透明電極層、２５ ｐ電極、２７ 透明絶縁保護膜、１２０ 窒化物半導体多層構造体。

Claims (5)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられた多重量子井戸発光層と、を備え、
   前記多重量子井戸発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層に近い側から、第２発光層と、第１発光層とを備え、
   前記第１発光層は、少なくとも１つの第１量子井戸層を備え、
   前記第２発光層は、少なくとも１つの第２量子井戸層を備え、
   前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、前記第１量子井戸層よりも層厚が小さいことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
2. 前記第２量子井戸層は複数層で形成され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。
3. 前記第１量子井戸層よりｎ層側に、さらに複数の第３量子井戸層が形成されてい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。
4. 前記第２量子井戸層と前記第３量子井戸層との層厚が略等しいことを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第２量子井戸層の層厚は２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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