JP5011699B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

特許文献１には、単一画素で任意の色度（彩度、色相）の光を発光し、特に、純粋な白色を発光する窒化物発光素子が記載されている。特許文献１における一例の窒化物発光素子は、厚さ５ｎｍのＩｎ_０．６８Ｇａ_０．３２Ｎ井戸層（３層）と厚さ５ｎｍのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎバリア層（４層）とからなる第１多重量子井戸と、厚さ５ｎｍのＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ井戸層（３層）と厚さ５ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎバリア層とからなる第２多重量子井戸とを備える。第１多重量子井戸はピーク波長５７０ｎｍの黄緑色の光を発光し、第２多重量子井戸はピーク波長４５０ｎｍの青色の光を発光する。第２多重量子井戸は、第１多重量子井戸と透明電極との間に位置する。白色光を得るために、第１多重量子井戸からの光の波長成分は、第２多重量子井戸からの光の波長成分の補色である。

また、特許文献１における別の例の窒化物発光素子は、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ井戸層を含みピーク波長５１０ｎｍを示す第１多重量子井戸、Ｉｎ_０．４６Ｇａ_０．５４Ｎ井戸層を含みピーク波長５００ｎｍを示す第２多重量子井戸、およびＩｎ_０．４３Ｇａ_０．５７Ｎ井戸層を含みピーク波長４９０ｎｍを示す第３多重量子井戸を有する。この窒化物発光素子によれば、純粋に白色に近い光を得ることができる。

非特許文献１には、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードが記載されている。非特許文献１の図５を参照すると、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードの量子効率は注入電流密度に応じて変化しており、特に青色発光ダイオードの量子効率は、注入電流密度に応じて大きく変化する。
特開平１０−２２５２５号公報 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) L1431-L1433

特許文献１におけるいずれの窒化物発光素子においても、一の多重量子井戸からの光の波長は、他の多重量子井戸からの光の波長と異なっており、波長成分の大きさの順は、窒化物発光素子に注入される電流の電流密度に依存せずに変更されることはない。

非特許文献１に示されるように、ＩｎＧａＮ系発光素子の発光効率は、注入電流密度に応じて変化しており、特に青色発光ダイオードの発光効率は、注入電流密度に応じて大きく変化する。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、注入される電流の電流密度に対する発光効率の依存性を調整可能にする構造を有する窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、窒化物半導体発光素子は、（ａ）ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｂ）ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられた量子井戸構造を有する発光領域とを備える。前記量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる複数の第１の井戸層、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮからなる一または複数の第２の井戸層、およびバリア層を含み、前記バリア層と前記第１および第２の井戸層とは交互に配列されており、当該窒化物半導体発光素子の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にあり、当該窒化物半導体発光素子は実質的に単一のピーク波長を有するスペクトルの光を生成し、前記第２の井戸層の厚さは前記第１の井戸層の厚さより厚く、前記第１の井戸層の発光波長は、当該窒化物半導体素子へ印加される電流の電流密度のある値において前記第２の井戸層の発光波長と略等しい。

この窒化物半導体発光素子によれば、薄い第１の井戸層は低い電流密度において効率良く発光し、厚い第２の井戸層は高い電流密度において効率良く発光する。第１の井戸層の発光波長は、当該窒化物半導体素子へ印加される電流の電流密度のある値において第２の井戸層の発光波長と略等しくなる。これ故に、所望の波長の光を発する発光素子において、互いに異なる発光効率を有する複数の井戸層を用いて、電流密度に対する発光効率の依存性を調整できる。

本発明の別の側面によれば、窒化物半導体発光素子は、（ｄ）ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｅ）ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｆ）前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられた量子井戸構造を有する発光領域とを備える。前記量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる複数の第１の井戸層、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮからなる一または複数の第２の井戸層、およびバリア層を含み、前記バリア層と前記第１および第２の井戸層とは交互に配列されており、前記第２の井戸層は、前記第１の井戸層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に位置しており、当該窒化物半導体発光素子は実質的に単一のピーク波長を有するスペクトルの光を生成し、当該窒化物半導体発光素子の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にあり、前記第２の井戸層のインジウム組成は前記第１の井戸層のインジウム組成より小さく、また前記第２の井戸層の厚さは前記第１の井戸層の厚さより厚い。

この窒化物半導体発光素子によれば、薄い第１の井戸層は低い電流密度において効率良く発光し、厚い第２の井戸層は高い電流密度において効率良く発光する。結晶性が悪化しやすい第２の井戸層が第１の井戸層とｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に位置するので、第１の井戸層の結晶性を損ねることはない。また、第１および第２の井戸層の発光波長は、当該窒化物半導体素子へ印加される電流の電流密度に対して互いに異なる依存性を有する。第２の井戸層の厚さを第１の井戸層の厚さより厚くすると共に、第２の井戸層のインジウム組成を前記第１の井戸層のインジウム組成より小さくすることにより、第１の井戸層の発光波長が当該窒化物半導体素子へ印加される電流の第１の電流密度において第２の井戸層の発光波長より大きくなると共に、第１の井戸層の発光波長が当該窒化物半導体素子へ印加される電流の第２の電流密度において第２の井戸層の発光波長より小さくなる。これ故に、互いに異なる発光効率を有する複数の井戸層を用いて、電流密度に対する発光効率の依存性を調整できる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第１の井戸層の厚さは、４ナノメートル未満であり、前記第２の井戸層の厚さは、４ナノメートル以上であることが好ましい。

この窒化物半導体発光素子によれば、薄い井戸層および厚い井戸層の厚みを４ナノメートルを境に作り分けると、電流密度に対する発光効率の依存性に関して薄い井戸層と厚い井戸層との間に差を設けることが容易になる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記第２の井戸層の数は前記第１の井戸層の数より少ないことが好ましい。

この窒化物半導体発光素子によれは、第２の井戸層の数が、良好な結晶品質を得やすい第１の井戸層の数より小さければ、量子井戸構造の全体の結晶品質が良好になる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、当該窒化物半導体発光素子の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある。この波長範囲において、特に、注入される電流の電流密度に対する発光効率の依存性が大きい。

本発明に係る窒化物半導体発光素子は、（ｇ）第１の面と該第１の面の反対側の第２の面とを有するIII族窒化物基板を更に備え、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記発光領域および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、順に前記III族窒化物基板の前記第１の面上に配列されており、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下である。

この窒化物半導体発光素子によれば、貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるので、貫通転位に敏感な厚い井戸層の結晶性がより良好になる。

本発明に係る窒化物半導体発光素子では、前記III族窒化物基板は窒化ガリウム基板であることが好ましい。

この窒化物半導体発光素子によれば、窒化ガリウム基板を用いると、低い貫通転位密度の下地膜を井戸層に提供できる。

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、注入される電流の電流密度に対する発光効率の依存性を調整可能にする構造を有する窒化物半導体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、本発明の窒化物半導体発光素子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。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の主要部を示す図面である。図２は、窒化物半導体発光素子の構造を示す図面である。窒化物半導体発光素子１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３と、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５と、発光領域１７とを含む。発光領域１７は、量子井戸構造１９を有する。量子井戸構造１９は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５との間に設けられている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３からは、発光領域１７に電子Ｅが供給される。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５からは、発光領域１７に正孔Ｈが供給される。量子井戸構造１９は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる複数の第１の井戸層２１、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮからなる一または複数の第２の井戸層２３、およびバリア層２５を含む。第１および第２の井戸層２１、２３とバリア層２５とは交互の配列されている。第２の井戸層２３は、第１の井戸層２１とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５との間に位置している。第２の井戸層２３のインジウム組成Ｙは第１の井戸層２１のインジウム組成Ｘより小さく、また第２の井戸層２３の厚さＤ_Ｗ２は第１の井戸層２１の厚さＤ_Ｗ１より厚い。

この窒化物半導体発光素子１１によれば、薄い第１の井戸層２１は低い電流密度において効率良く発光し、厚い第２の井戸層２３は高い電流密度において効率良く発光する。結晶性が悪化しやすい第２の井戸層２３が第１の井戸層２１とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５との間に位置するので、第１の井戸層の結晶性を損ねることはない。また、第１および第２の井戸層２１、２３の発光波長は、当該窒化物半導体素子１１へ印加される電流の電流密度に対して互いに異なる依存性を有する。第２の井戸層２３の厚さＤ_Ｗ２を第１の井戸層２１の厚さＤ_Ｗ１より厚くすると共に、第２の井戸層２３のインジウム組成Ｙを第１の井戸層２１のインジウム組成Ｘより小さくすることにより、第１の井戸層２１の発光波長が当該窒化物半導体素子１１へ印加される電流の第１の電流密度において第２の井戸層２３の発光波長より大きくなると共に、第１の井戸層２１の発光波長が当該窒化物半導体素子１１へ印加される電流の第２の電流密度において第２の井戸層２３の発光波長より小さくなる。これ故に、所望の波長の光を発する発光素子において、互いに異なる発光効率を有する井戸層２１、２３を用いて、電流密度に対する発光効率の依存性を調整できる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子１１では、第１の井戸層２１の発光波長は、当該窒化物半導体素子１１へ印加される電流の電流密度のある値（例えば、図４に示された矢印のＩ_ＤＥＮ１）において第２の井戸層２３の発光波長と略等しい。この窒化物半導体発光素子１１によれば、薄い第１の井戸層２１は低い電流密度において効率良く発光し、厚い第２の井戸層２３は高い電流密度において効率良く発光する。これ故に、互いに異なる発光効率を有する井戸層２１、２３を用いて、電流密度に対する発光効率の依存性が調整できる。第１の井戸層２１の発光波長は、当該窒化物半導体素子１１へ印加される電流の電流密度のある値において第２の井戸層２３の発光波長と略等しくなり、実用的な電流密度の範囲（例えば、０Ａ／ｃｍ^２以上２００Ａ／ｃｍ^２以下）のいずれかの電流密度の値において等しくなる。

窒化物半導体発光素子１１では、当該窒化物半導体発光素子１１の発光波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にあるように量子井戸構造１９が形成されている。この波長範囲において、特に、注入される電流の電流密度に対する発光効率の依存性が大きい。窒化物半導体発光素子１１からの光のスペクトルは、実質的に単一のピーク波長を有する。このために、第１の井戸層２１からの光の波長が第２の井戸層２３からの光の波長とほぼ一致するように、第１の井戸層２１の組成および厚み並びに第２の井戸層２３の組成および厚みが調整される。低い電流密度においては、一方の井戸層の発光効率が他方の井戸層の発光効率より大きく、高い電流密度においては、他方の井戸層の発光効率が一方の井戸層の発光効率より大きい。当該窒化物半導体素子１１へ印加される電流の電流密度のある値において、他方の井戸層の発光効率は、一方の井戸層の発光効率と略等しくなる。

窒化物半導体発光素子１１では、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の貫通転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２以下である。この貫通転位密度によれば、厚い井戸層の結晶品質の低下を小さくすることができる。

図２を参照すると、窒化物半導体発光素子１１は、III族窒化物基板２７を更に含む。III族窒化物基板２７は、第１の面２７ａと該第１の面２７ａの反対側の第２の面２７ｂとを有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３、発光領域１７およびｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５は順にIII族窒化物基板２７の第１の面２７ａ上に配列されており、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下である。この窒化物半導体発光素子１１によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるので、貫通転位に敏感な厚い井戸層２３の結晶性がより良好になる。

好適には、III族窒化物基板２７は窒化ガリウム基板である。貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の窒化ガリウム基板が入手可能であるので、窒化ガリウム基板上に成長された低い貫通転位密度の下地膜を井戸層の成長のために提供できる。III族窒化物基板２７としては、ＡｌＮ等も用いることができる。

また、窒化物半導体発光素子１１は、III族窒化物基板２７の第１の面２７ａ上に設けられたバッファ層３１を更に含む。また、バッファ層３１は、ＡｌＧａＮからなることが好ましい。窒化ガリウム基板上にＡｌＧａＮ層を成長すると、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３の成長のために好適な下地半導体領域を提供できる。

窒化物半導体発光素子１１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５上に設けられたｐ型窒化ガリウム系コンタクト領域３３と、ｐ型窒化ガリウム系コンタクト領域３３上に設けられたアノード電極３５とを更に含む。アノード電極３５は半透明電極を含むことが好ましい。III族窒化物基板２７の第２の面２７ｂ上には、カソード電極３７が設けられている。

窒化物半導体発光素子１１では、第１の井戸層２１の厚さＤ_Ｗ１は４ナノメートル未満であることが好ましい。井戸層が４ナノメートル以下であると、結晶品質を損ねることなく効果的にＩｎ組成ゆらぎが導入され、低い電流密度における発光効率を向上させることができるからである。第２の井戸層２３の厚さＤ_Ｗ２は４ナノメートル以上であることが好ましい。井戸層が４ナノメートル以上であると、所望の発光波長を得るのに必要なＩｎ組成が低くなり均質な井戸層を作製することが可能となり、高い電流密度における発光効率を向上させることができるからである。薄い井戸層２１および厚い井戸層２３の厚みを４ナノメートルを境に作り分けると、薄い井戸層２１と厚い井戸層２３との間で電流密度に対する発光効率の依存性の違いを大きくできる。第１の井戸層２１は、第２の井戸層２３とｎ型窒化ガリウム系半導体領域１３との間に形成される。第２の井戸層２３に先立って第１の井戸層２１を成長できるので、薄い井戸層２１の結晶品質が厚い井戸層の結晶品質に影響されない。また、第２の井戸層２３は、第１の井戸層２１とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１５との間に形成される。第１の井戸層２１の成長の後に第２の井戸層２３を成長できるので、良好な結晶品質の薄い井戸層２１上に厚い井戸層を成長でき、厚い井戸層の結晶品質の低下を低減できる。

窒化物半導体発光素子１１では、第２の井戸層２３の数は第１の井戸層２１の数より少ないことが好ましい。第２の井戸層２３の数が、良好な結晶品質を得やすい第１の井戸層２１の数より小さければ、量子井戸構造１９の全体の結晶品質が良好になる。

（実験例１）
図３（Ａ）から図３（Ｃ）に示されるような発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃを準備する。発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃは窒化ガリウム支持基体を用いている。
発光ダイオードＡの構造は
バッファ層４１：Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ、５０ｎｍ
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域４３：ＧａＮ、２マイクロメートル
量子井戸構造の井戸層４５ａ：Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ、３ｎｍ
量子井戸構造の障壁層４５ｂ：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、１５ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域４７：２０ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系コンタクト層４９：５０ｎｍ
である。

発光ダイオードＢの構造は
バッファ層５１：Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ、５０ｎｍ
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域５３：ＧａＮ、２マイクロメートル
量子井戸構造の井戸層５５ａ：Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ、５ｎｍ
量子井戸構造の障壁層５５ｂ：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、１５ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５７：２０ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系コンタクト層５９：５０ｎｍ
である。

発光ダイオードＣの構造は
バッファ層６１：Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ、５０ｎｍ
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域６３：ＧａＮ、２マイクロメートル
量子井戸構造の第１の井戸層６５ａ：Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ、３ｎｍ
量子井戸構造の障壁層６５ｂ：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、１５ｎｍ
量子井戸構造の第２の井戸層６５ｃ：Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ、５ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域６７：２０ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系コンタクト層６９：５０ｎｍ
である。第１の井戸層６５ａからの光の波長が第２の井戸層６５ｃからの光の波長とほぼ一致するように、第１の井戸層６５ａの組成および厚み並びに第２の井戸層６５ｂの組成および厚みが調整される。

発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃの製造工程は以下の通りである。窒化ガリウム基板をアンモニア（ＮＨ_３）および水素（Ｈ_２）の雰囲気で熱処理する。続いて、窒化ガリウム基板上にｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ膜（シリコンドープ）およびｎ型ＧａＮ膜（シリコンドープ）を順に成長する。次いで、６周期からなる量子井戸構造の発光領域を作製する。この後に、発光領域上にｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ膜（Ｍｇドープ）およびｐ型ＧａＮ膜（Ｍｇドープ）を順に成長する。窒化ガリウム基板の裏面にＴｉ／Ａｌ電極を作製し、ｐ型ＧａＮ膜上にＮｉ／Ａｕ電極を作製する。Ｎｉ／Ａｕ電極上には、さらにＴｉ／Ａｕパッド電極を作製する。発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃでは、ｎ型ＧａＮ層といったｎ型窒化ガリウム系半導体領域の貫通転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２以下であり、具体的には１×１０^６ｃｍ^−２以下である。

このように作製された発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃの発光特性を評価した。図４は、発光ダイオードＡおよび発光ダイオードＢの発光波長と印加電流との関係を示す図面である。発光ダイオードＡ、Ｂの井戸層の組成および厚みは調整されているので、印加電流の広い範囲で、発光ダイオードＡの発光波長は発光ダイオードＢの発光波長にほぼ等しい。発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃにおいて、印加電流２００ｍＡは電流密度１２５Ａ／ｃｍ^−２に対応する。図４に示されるように、発光ダイオードＡからの光のピーク波長の特性線は、電流２００ｍＡまでの範囲において発光ダイオードＢからの光のピーク波長の特性線と交差している。発光ダイオードＡ、Ｂのピーク波長は共に、印加電流の増加に伴って短くなる。最も低い印加電流値から特性線の交差点までのシフト量（発光ダイオードＢ）は、最も低い印加電流値から特性線の交差点までのシフト量（発光ダイオードＡ）より大きい。このような振る舞いは、発光ダイオードＢの井戸層が厚いので、井戸層におけるピエゾ効果の影響が大きいことに起因する。

発光ダイオードＡは、図５に示されるように、低い電流密度の領域では３種類の発光ダイオードのうち最も発光強度が強い。しかしながら、図６に示されるように、印加電流が大きくなるにつれて、その発光効率は劣化する。この理由として、低い印加電流密度では、井戸層のインジウム組成のゆらぎに因り井戸層の高い発光効率の部分（複数の部分）が主に発光しており、つまり発光領域が局在化している。ところが、印加電流密度が増加するにつれて発光部分が広がり、結果として発光効率が低下するというモデルが提案されている。

発光ダイオードＢは、図５に示されるように、低い電流密度では発光強度が低いが、電流密度が大きくなると、発光ダイオードＡを上回る発光強度を示す。この振る舞いは、インジウム組成が小さく厚い井戸層では、図６に示されるように、高注入特性が改善されることを示している。低い電流密度において発光強度が低い理由としては次の２つがある。
第１の理由：井戸層を厚くすると、井戸層のためのＩｎＧａＮの結晶性が悪くなる。井戸層の成長を繰り返すことによって、量子井戸構造に導入される欠陥が結果的に増加する。この欠陥の増加にため、非発光再結合の影響に敏感な低い電流密度において発光効率が低下する。
第２の理由：井戸層の厚みが大きくなるにつれて、ピエゾ電界の影響が強くなり、電子とホールとの空間的な分離が大きく生じ、発光効率が低下する。このピエゾ電界は、発光領域への注入電流が増えると、注入されたキャリアによるスクリーニングが生じ、高注入では発光効率が上昇する。

発光ダイオードＣでは、図６に示されるように、印加電流の広い範囲で、高い発光効率を維持している。５ｎｍ厚の厚い井戸層が最もｐ領域に近くに位置しているので、この厚い井戸層が最も発光に寄与する。また、キャリアは薄い井戸層にも注入されるので、低い電流密度において良好な発光効率を示す薄い井戸層も発光に寄与できる。厚い井戸層の下地に３ｎｍの薄い井戸層を設けているので、５ｎｍ厚の厚い井戸層を設けても、薄い井戸層の結晶品質が悪くなることはなく、また厚い井戸層の結晶品質も悪くなることはない。高い発光効率は、電流密度の広い範囲（例えば０Ａ／ｃｍ^２以上２００Ａ／ｃｍ^２以下の範囲）で維持される。発光ダイオードＣの発光スペクトルの半値全幅は、発光ダイオードＡ、Ｂの各々の発光スペクトルの半値全幅よりも大きい。

（実験例２）
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示されるような発光ダイオードＤ、Ｅを準備する。発光ダイオードＤおよび発光ダイオードＥはサファイア支持基体２８を用いている。発光ダイオードＤ、Ｅの製造工程は以下の通りである。サファイア基板を水素（Ｈ_２）の雰囲気で熱処理する。続いて、サファイア基板上にｎ型ＧａＮバッファ膜およびｎ型ＧａＮ膜（シリコンドープ）を順に成長する。この後には、発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃの製造工程と同様に、６周期からなる量子井戸構造の発光領域を作製する。この後に、発光領域上にｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ膜（Ｍｇドープ）およびｐ型ＧａＮ膜（Ｍｇドープ）を順に成長する。エッチングにより露出されたｎ型ＧａＮ膜上にＴｉ／Ａｌ電極３８を作製し、ｐ型ＧａＮ膜上にＮｉ／Ａｕ電極を作製する。Ｎｉ／Ａｕ電極３６上には、さらにＴｉ／Ａｕパッド電極を作製する。

発光ダイオードＤの構造は
バッファ層７１：ＧａＮ、２５ｎｍ
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域７３：ＳｉドープＧａＮ、５マイクロメートル
量子井戸構造の井戸層７５ａ：Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ、３ｎｍ
量子井戸構造の障壁層７５ｂ：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、１５ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７７：２０ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系コンタクト層７９：５０ｎｍ
である。

発光ダイオードＥの構造は
バッファ層８１：ＧａＮ、２５ｎｍ
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域８３：ＳｉドープＧａＮ、５マイクロメートル
量子井戸構造の第１の井戸層８５ａ：Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ、３ｎｍ
量子井戸構造の障壁層８５ｂ：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、１５ｎｍ
量子井戸構造の第２の井戸層８５ｃ：Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ、５ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域８７：２０ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系コンタクト層８９：５０ｎｍ
である。第１の井戸層８５ａからの光の波長が第２の井戸層８５ｃからの光の波長とほぼ一致するように、第１の井戸層８５ａの組成および厚み並びに第２の井戸層８５ｂの組成および厚みが調整される。

発光ダイオードＤの発光強度は、発光ダイオードＡの発光強度とほぼ同等である。これは、薄いＩｎＧａＮ井戸層のインジウム組成の空間的な変化（ゆらぎ）もより貫通転位密度の影響が小さくなっている。発光ダイオードＥの発光強度は、発光ダイオードＣの発光強度の約半分である。これは、厚いＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が貫通転位も敏感であることを示している。

発光ダイオードＤ、Ｅでは、ｎ型ＧａＮ層といったｎ型窒化ガリウム系半導体領域の貫通転位密度は５×１０^８ｃｍ^−２程度である。発明者の実験によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２以下であれば、良好な発光特性を得られる。このために、窒化ガリウム基板を用いることが有効である。

青色ＬＥＤの効率が高い理由として、以下のように理解される。ＩｎＧａＮ井戸層中でインジウム組成が自発的に不均一になることによってポテンシャルのゆらぎが生じる。注入されたキャリアがポテンシャルの低い領域に局在化すると、ＩｎＧａＮ井戸層中の欠陥にトラップされる前に再結合して発光に寄与する。印加電流を増加させると、ポテンシャルの低い領域の外側にキャリアがあふれ、ＩｎＧａＮ井戸層中の欠陥に捕獲されるキャリアが生じるために効率が落ちる。

非特許文献１に記載されているように、青色ＬＥＤの発光効率は印加電流の増加に従い低下する。発光効率の低下は、バックライト用光源や装飾用光源など定格電流値が低い用途には問題ないが、車両のヘッドライトや照明などのハイパワー用途では大きな電流値で駆動する必要があり、効率低下が見えてくる。

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。本実施の形態では、例えば、発光ダイオードといった半導体発光装置を説明したけれども、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。

図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の主要部を示す図面である。 図２は、窒化物半導体発光素子の構造を示す図面である。 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、実験例１の発光ダイオードの構造を示す図面である。 図４は、実験例１の発光ダイオードＡ、Ｂの発光ピーク波長と印加電流との関係を示す図面である。 図５は、実験例１の発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃの発光強度と印加電流との関係を示す図面である。 図６は、実験例１の発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃの発光効率と印加電流との関係を示す図面である。 図７は、実験例２の発光ダイオードＤおよびＥの構造を示す図面である。

符号の説明

１１…窒化物半導体発光素子、１３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１５…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、１７…発光領域、１９…量子井戸構造、２１…第１の井戸層、２３…第２の井戸層、２５…バリア層、Ｄ_Ｗ１…第１の井戸層の厚さ、Ｄ_Ｗ２…第２の井戸層の厚さ、２７…III族窒化物基板、３１…バッファ層、３３…ｐ型窒化ガリウム系コンタクト領域、３５…アノード電極、３７…カソード電極、４１…バッファ層、４３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、４５ａ…量子井戸構造の井戸層、４５ｂ…量子井戸構造の障壁層、４７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、４９…ｐ型ｎ型窒化ガリウム系コンタクト層、５１…バッファ層、５３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、５５ａ…量子井戸構造の井戸層、５５ｂ…量子井戸構造の障壁層、５７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、５９…ｐ型ｎ型窒化ガリウム系コンタクト層、６１…バッファ層、６３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、６５ａ…量子井戸構造の第１の井戸層、６５ｂ…量子井戸構造の障壁層、６５ｃ…量子井戸構造の第２の井戸層、６７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、６９…ｐ型ｎ型窒化ガリウム系コンタクト層、
７１…バッファ層、７３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、７５ａ…量子井戸構造の井戸層、７５ｂ…量子井戸構造の障壁層、７７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、７９…ｐ型ｎ型窒化ガリウム系コンタクト層、８１…バッファ層、８３…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、８５ａ…量子井戸構造の第１の井戸層、８５ｂ…量子井戸構造の障壁層、８５ｃ…量子井戸構造の第２の井戸層、８７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、８９…ｐ型ｎ型窒化ガリウム系コンタクト層

Claims (7)

1. 窒化物半導体発光素子であって、
   ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
   ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられた量子井戸構造を有する発光領域と
   を備え、
   前記量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる複数の第１の井戸層、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮからなる一または複数の第２の井戸層、およびＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１、Ｚ＜Ｘ、Ｚ＜Ｙ）からなるバリア層を含み、
   前記バリア層と前記第１および第２の井戸層とは交互に配列されており、
   当該窒化物半導体発光素子の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にあり、前記第２の井戸層の厚さは前記第１の井戸層の厚さより厚く、前記第１の井戸層の発光波長は、当該窒化物半導体発光素子へ印加される電流の電流密度のある値において前記第２の井戸層の発光波長と等しく、前記電流密度のある値は、０Ａ／ｃｍ ^２ から２００Ａ／ｃｍ ^２ までの範囲にある、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 窒化物半導体発光素子であって、
   ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
   ｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられた量子井戸構造を有する発光領域と
   を備え、
   前記量子井戸構造は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなる複数の第１の井戸層、Ｉｎ_ＹＧａ_１−ＹＮからなる一または複数の第２の井戸層、およびＩｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１、Ｚ＜Ｘ、Ｚ＜Ｙ）からなるバリア層を含み、
   前記バリア層と前記第１および第２の井戸層とは交互に配列されており、
   前記第２の井戸層は、前記第１の井戸層と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に位置しており、
   当該窒化物半導体発光素子の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にあり、前記第２の井戸層のインジウム組成は前記第１の井戸層のインジウム組成より小さく、また前記第２の井戸層の厚さは前記第１の井戸層の厚さより厚く、
   前記第１の井戸層からの光の波長が当該窒化物半導体発光素子へ印加される電流の電流密度のある値において前記第２の井戸層からの光の波長と一致するように、前記第１の井戸層の組成および厚み並びに前記第２の井戸層の組成および厚みが調整され、前記電流密度のある値は、０Ａ／ｃｍ ^２ から２００Ａ／ｃｍ ^２ までの範囲にある、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
3. 前記第１の井戸層の厚さは、４ナノメートル未満であり、
   前記第２の井戸層の厚さは、４ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体発光素子。
4. 前記第２の井戸層の数は前記第１の井戸層の数より少ない、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半導体発光素子。
5. 前記第１の井戸層は前記電流密度の範囲における低い電流密度において前記第２の井戸層より効率良く発光し、前記第２の井戸層は前記電流密度の範囲における高い電流密度において前記第１の井戸層より効率良く発光する、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
6. 第１の面と該第１の面の反対側の第２の面とを有するIII族窒化物基板を更に備え、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記発光領域および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記III族窒化物基板の前記第１の面上に順に配列されており、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域の貫通転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２以下である、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半導体発光素子。
7. 前記III族窒化物基板は窒化ガリウム基板である、ことを特徴とする請求項６に記載された窒化物半導体発光素子。

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