JP5311338B2 - 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もので、より詳細には、発光効率向上のための窒化物半導体発光素子に関する。

近年、３族窒化物半導体（以下、窒化物半導体と称する）は、ＬＣＤバックライト、カメラ用フラッシュ、照明等多様な分野において紫外線（ＵＶ）、青色光、緑色光の発光素子材料として広く用いられている。一般的な窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式から成る。このような窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ等を含む）を製造するため、サファイア等の成長用基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層を順に成長させ、発光構造物を形成する。活性層は、量子井戸層及び量子障壁層で構成される。

図１は、従来技術による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムである。図１を参照すると、窒化物半導体発光素子には、ｎ型窒化物半導体層１１とｐ型窒化物半導体層１３と、その間にＩｎＧａＮ量子井戸層１２ａ及びＧａＮ量子障壁層１２ｂを含む活性層１２を含んで設けられる。窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層１１から提供される電子とｐ型窒化物半導体層１３から提供される正孔が、活性層１２において再結合することによって発光する。このような構成の活性層内において、電子及び正孔の再結合率を向上させるためには、電子の波動関数と正孔の波動関数が重畳される領域が広くなければならない。しかし、実際には、ＩｎＧａＮ量子井戸層１２ａとＧａＮ量子障壁層１２ｂの界面における格子定数の不一致により、量子井戸層内に圧電フィールドが発生する。その結果、電子の波動関数と正孔の波動関数の間の距離が遠くなることによって、それらの重畳する領域が減少する。すなわち、窒化物半導体発光素子の活性層の再結合効率は低下してしまい、問題となる。

これを解決するために、ＩｎＧａＮ量子井戸層１２ａと類似する格子定数を有し、既存の量子障壁層と類似するエネルギーバンドキャップを有するＡｌＩｎＧａＮ量子障壁層を利用する技術が開発された。しかし、ＡｌＩｎＧａＮ量子障壁層を成長させる場合、Ａｌ原子は８００℃以上の温度及び１００Ｔｏｒｒの圧力で最適に浸透することができ、Ｉｎ原子は８００℃以下の温度及び３００Ｔｏｒｒの圧力で最適に浸透することができる。従って、Ａｌ原子とＩｎ原子の最適浸透のためには工程条件が異なり、結晶性に優れたＡｌＩｎＧａＮ量子障壁層を成長させるのは困難であった。

本発明は上述した問題点を解決するためのものであって、本発明は、複数のＩｎＧａＮ層の間にＡｌＧａＮ層を交互に反復して積層するか、又は複数のＩｎＧａＮ層の間にＧａＮ層を交互に反復して積層し量子障壁層を形成することにより、ＩｎＧａＮで構成された量子井戸層と量子障壁層の間の格子定数の不一致を減少させ、高いエネルギーバンドキャップを有する窒化物半導体発光素子を提供することを目的の一つとする。

また、本発明は、複数のＩｎＧａＮ層の間にＡｌＧａＮ層を交互に反復して積層し、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の間にＧａＮ層を積層することにより、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の間の格子定数の不一致を緩和させることができる窒化物半導体発光素子を提供することをその目的の一つとする。

以上のような目的を達成するために、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子は、基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成され、量子障壁層及び量子井戸層から成る活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、を含み、前記複数の量子井戸層は、Ｉｎ _ｚ Ｇａ _{（１−ｚ）} Ｎ（０＜ｘ＜ｚ＜１）から成り、前記量子障壁層は、複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層（０＜ｘ＜１）及び少なくともひとつ以上のＡｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層（０＜ｙ＜１）を含み、前記複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層の間にＡｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層が積層された構造を有し、前記複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層と前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層のそれぞれの間に形成されたＧａＮ層を含んで少なくとも５層の多層構造を有し、前記量子障壁層を成すＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層及びＡｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層は各々、０．５〜１０ｎｍの厚さを有し、前記複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層は、前記量子井戸層より大きく、前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層より低いエネルギーバンドキャップを有し、前記量子障壁層は、２〜１５ｎｍの厚さを有し、前記量子井戸層は、１〜１５ｎｍの厚さを有することを特徴とする。

前記量子障壁層は、前記複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層の間にＡｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層が積層され、Ｉｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層とＡｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層が交互に２回以上反復して積層された超格子構造を有することが好ましい。

前記量子障壁層を成すＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層及びＡｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層は各々、０．３〜３ｎｍの厚さを有することが好ましい。

前記複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層は、前記量子井戸層より高く、前記ＧａＮ層より低いエネルギーバンドキャップを有し、前記ＧａＮ層は前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層より低いエネルギーバンドキャップを有することが好ましい。

前記量子障壁層を構成するＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層、Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層及びＧａＮ層は各々、０．５〜１０ｎｍの厚さを有することが好ましい。

本発明によると、複数のＩｎＧａＮ層の間にＡｌＧａＮ層を積層して量子障壁層を形成するか、又は複数のＩｎＧａＮ層の間にＧａＮ層を積層することによって、ＩｎＧａＮで構成された量子井戸層と量子障壁層の間の格子定数の不一致を減少させることができるようになる。これにより、量子井戸層と量子障壁層の界面の格子定数の不一致が減少し、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができるようになる。

また、量子障壁層を構成するＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層が個別の工程によって分離成長し、超格子構造で形成されることによりＡｌＩｎＧａＮ層として機能することができるようになる。

また、量子障壁層は、ＡｌＧａＮ層によって高いエネルギーバンドキャップを有するようになるため、電子を効果的に量子井戸層内に閉じ込めることができるようになり、発光効率を向上させることができるようになる。

一方、本発明は、複数のＩｎＧａＮ層の間にＡｌＧａＮ層を交互に反復して積層し、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の間にＧａＮ層を積層することによって、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の間の格子定数の差を緩和させることができるようになる。

以下、添付された図面を参照に本発明をより詳細に説明する。図２は、本発明の第１の実施形態による窒化物半導体発光素子を表す図面である。図２を参照すると、窒化物半導体発光素子は、基板１１０、その上に形成されたバッファ層１２０、バッファ層１２０上に形成されたｎ型窒化物半導体層１３０、ｎ型窒化物半導体層１３０上に形成された活性層１４０、活性層１４０上に形成されたｐ型窒化物半導体層１５０、メサ構造のｎ型窒化物半導体層１３０上に形成されたｎ型電極１６０及びｐ型窒化物半導体層１５０上に形成されたｐ型電極１７０を含む。

基板１１０としては、一般的にサファイア基板が利用され、バッファ層１２０は、サファイア基板とｎ型窒化物半導体層１３０間の格子定数の不一致を緩和させるものであって、アンドープＧａＮ、ＡｌＮ又はＳｉＮが用いられる。

ｎ型窒化物半導体層１３０は、ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮで形成され、ｐ型窒化物半導体層１５０は、ｐ型不純物をドーピングしたＧａＮで形成することができる。このようなｎ型窒化物半導体層１３０とｐ型窒化物半導体層１５０の間には、多重量子井戸構造の活性層１４０が位置する。具体的には、活性層１４０の一部を拡大した図を参照すると、活性層１４０には多数の量子井戸層１４１を含まれ、多数の量子井戸層１４１の間に形成された多数の量子障壁層１４２が含まれる。

多数の量子井戸層１４１は、Ｉｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜z＜１）から成り、約１〜１５ｎｍの厚さで形成することができる。また、多数の量子障壁層１４２は、各々、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層（０＜ｘ＜１）１４２ａ及びひとつのＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層（０≦ｙ＜１）１４２ｂで構成される。この場合、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａの間にＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂが形成され、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層／Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層／Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層の多層構造を有する。

一方、量子障壁層１４２を構成するＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂは、個別の工程によって分離成長することができる。具体的には、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａは、８００℃以下の温度及び３００Ｔｏｒｒの圧力で、ＧａＮ層上にＩｎ原子を浸透させる方法を利用して成長することができる。また、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂは、８００℃以上の温度及び１００Ｔｏｒｒの圧力で、ＧａＮ層上にＡｌ原子を浸透させる方法を利用して成長することができる。このような各々の工程を利用して、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂを分離成長させることにより、図２に示された量子障壁層１４２を形成することができるようになる。この場合、量子障壁層１４２を構成するＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂは各々、厚さ約０．５〜１０ｎｍの範囲内で形成されうる。

また、量子障壁層１４２のうちＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａは、量子井戸層１４１を構成するＩｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）と同一の物質で形成されるのに伴い、量子井戸層１４１と量子障壁層１４２の界面での格子定数の不一致を著しく減少させるようになる。但し、量子障壁層１４２のうちＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａのエネルギーバンドキャップを変調させるために、すなわち、量子井戸層１４１より高いエネルギーバンドキャップを有するようにするために、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａのＩｎ組成（ｘ）をＩｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）のＩｎ組成（ｚ）より低くすることができる。すなわち、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａとＩｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜z＜１）でのＩｎ組成関係は０＜ｘ＜ｚ＜１となることができる。

図２に示された量子障壁層１４２は、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａによって量子井戸層１４１との格子定数の不一致を減少させることにより、圧電フィールドの発生を減少させることができる。これにより、電子と正孔の波動関数が重畳する領域が増加することにより、発光効率が向上する。また、量子障壁層１４２を構成するＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂによってエネルギーバンドキャップを高くすることにより、量子井戸層１４１内に電子を効果的に閉じ込めることができるようになる。

図３は、本発明の第２の実施形態による窒化物半導体発光素子を表す図である。図３を参照すると、窒化物半導体発光素子は、基板２１０、その上に形成されたバッファ層２２０、バッファ層２２０上に形成されたｎ型窒化物半導体層２３０、ｎ型窒化物半導体層２３０上に形成された活性層２４０、活性層２４０上に形成されたｐ型窒化物半導体層２５０、メサ構造のｎ型窒化物半導体層２３０上に形成されたｎ型電極２６０、及びｐ型窒化物半導体層２５０上に形成されたｐ型電極２７０を含んで設けられる。

ｎ型窒化物半導体層２３０とｐ型窒化物半導体層２５０の間には、多重量子井戸構造の活性層２４０が位置する。活性層２４０の一部を拡大した図面を参照して具体的に説明すると、活性層２４０は多数の量子井戸層２４１を含み、多数の量子井戸層２４１の間に形成された多数の量子障壁層２４２を含む。

多数の量子井戸層２４１は、Ｉｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）から成り、約１〜１５ｎｍの厚さで形成される。また、多数の量子障壁層２４２は、各々、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層（０＜ｘ＜１）２４２ａ及び複数のＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層（０≦ｙ＜１）２４２ｂで構成される。この場合、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａの間にＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂが形成され、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂが交互に反復して積層された構造を有する。このとき、図３に示された活性層２４０の拡大図面のように、ひとつの量子障壁層２４２においてＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａと、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂを少なくとも２回以上反復して積層されうる。このような構造を有するひとつの量子障壁層２４２は、厚さ約２〜１５ｎｍで形成される。

一方、量子障壁層２４２を構成するＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂは、個別の工程によって分離成長することができる。ここで、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂは、図２のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂと同一の方法を利用して成長することができる。ここでは、量子障壁層２４２を構成するＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂの各々は厚さ約０．３〜３ｎｍの範囲内で形成される超格子構造を有することができる。

また、量子障壁層２４２のうち、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａのＩｎ組成（ｘ）をＩｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）のＩｎ組成（ｚ）より低くし、エネルギーバンドキャップを変調させることができる。

図３に示された量子障壁層２４２は、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａによって量子井戸層２４１との格子定数の不一致を減少させることにより、圧電フィールドが発生するのを減少させることができる。これにより、電子と正孔の波動関数が重畳する領域が増加して、発光効率が向上する。また、量子障壁層２４２を構成するＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂによってエネルギーバンドキャップを高くすることにより、量子井戸層２４１内に電子を効果的に閉じ込めることができるようになる。そして、個別の工程によって分離成長したＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂは、超格子構造で形成されるに従い、実質的に、Ａｌ_ｙＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層として機能することができるようになる。

一方、図２及び図３に示された窒化物半導体発光素子の量子障壁層１４２、２４２のうち、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂ、２４２ｂのＡｌ組成（ｙ）を調節することにより、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ、２４２ａの間にＧａＮ層が積層された構造の量子障壁層を具現することもできる。具体的に、Ａｌ組成（ｙ）を０にする場合、図２及び図３に示されたＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂ、２４２ｂがＧａＮ層で具現されることができるようになる。この場合、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ、２４２ａ及びＧａＮ層は超格子構造で形成されることができ、これにより量子障壁層１４２、２４２は量子井戸層１４１、２４１との格子定数の不一致を減少させることにより、圧電フィールドが発生するのを減少させることができる。

図４は、本発明の第３の実施形態による窒化物半導体発光素子を表す図である。図４を参照すると、窒化物半導体発光素子３００は、基板３１０、その上に形成されたバッファ層３２０、バッファ層３２０上に形成されたｎ型窒化物半導体層３３０、ｎ型窒化物半導体層３３０上に形成された活性層３４０、活性層３４０上に形成されたｐ型窒化物半導体層３５０、メサ構造のｎ型窒化物半導体層３３０上に形成されたｎ型電極３６０及びｐ型窒化物半導体層３５０上に形成されたｐ型電極３７０を含む。

ｎ型窒化物半導体層３３０及びｐ型窒化物半導体層３５０の間には、多重量子井戸構造の活性層３４０が位置する。活性層３４０の一部を拡大した図面を参照して具体的に説明すると、活性層３４０は多数の量子井戸層３４１を含み、多数の量子井戸層３４１の間に形成され多数の量子井戸層３４１と交互に形成された多数の量子障壁層３４２を含む。ここで、多数の量子井戸層３４１は、Ｉｎ_zＧＡ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）から成り、厚さ約１〜１５ｎｍで形成することができる。

多数の量子障壁層３４２の各々は、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層（０＜ｘ＜１）３４２ａ、複数のＧａＮ層３４２ｂ及び少なくともひとつ以上のＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層（０≦ｙ＜１）３４２ｃで構成される。この場合、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａの間にＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃが形成され、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃの間にＧａＮ層３４２ｂが形成される。このような構造の量子障壁層３４２は少なくとも５つの層から構成されたＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層／ＧａＮ層／Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層／ＧａＮ層／Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層の多層構造を有し、ひとつの量子障壁層３４２は、約２〜１５ｎｍの厚さで形成される。

一方、量子障壁層３４２を構成するＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａ、ＧａＮ層３４２ｂ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃは、個別の工程によって分離成長し、各層の結晶性を確保することができるようになる。ここで、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃは、図２のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂと同一の方法を利用して成長することができる。そして、ＧａＮ層３４２ｂは、有機金属化学の気相蒸着法を利用して成長させることができる。この場合、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａ、ＧａＮ層３４２ｂ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃは、各々、厚さ約０．５〜１０ｎｍで形成されることができる。

また、量子障壁層３４２のうちＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａと量子井戸層３４１は同一の物質で形成され、量子井戸層３４１と量子障壁層３４２の界面での格子定数の不一致を著しく減少させることができるようになる。この場合、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａのＩｎ組成（ｘ）は、Ｉｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）のＩｎ組成（ｚ）より低くし、エネルギーバンドキャップを変調させることができる。

図４に示された量子障壁層３４２は、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａによって量子井戸層３４１との格子定数の不一致を減少させることにより、圧電フィールドが発生するのを減少させることができる。これにより、電子と正孔の波動関数が重畳する領域が増加することにより、発光効率が向上する。また、量子障壁層３４２を構成するＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃによってエネルギーバンドキャップを高めることにより、量子井戸層内に電子を効果的に閉じ込めることができるようになる。そして、量子障壁層３４２を構成するＧａＮ層３４２ｂによってＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃの間の格子定数の差を緩和させることにより、発光効率を向上させることができる。

図２〜図４では、多数の量子障壁層が本発明において提示した多層構造を有するものとして図示し説明したが、多数の量子障壁層のうち、ｐ型に隣接した量子障壁層のみを上記のような多層構造を有するように構成することもできる。

また、図２〜図４では、ｎ型電極１６０、２６０、３６０及びｐ型電極１７０、２７０、３７０が、同一面に配置された水平構造の窒化物半導体発光素子について図示し説明を行ったが、本発明は、垂直構造を有する窒化物半導体発光素子にも適用可能である。

図５は、本発明の第１の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。すなわち、図５は、図２に示された窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示したものである。

図５を参照すると、ｎ型窒化物半導体層１３０及びｐ型窒化物半導体層１５０の間に位置する活性層１４０は、多数の量子井戸層１４１及び多数の量子障壁層１４２を含む。また、多数の量子井戸層１４１は、Ｉｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）から成り、多数の量子障壁層１４２は、各々、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂを含む。この場合、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａは、量子井戸層１４１との格子定数の差異を緩和させ、量子障壁層として機能するために量子井戸層より高いエネルギーバンドキャップを有するよう形成される。これは、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａのＩｎ組成（ｘ）を量子井戸層１４１のＩｎ組成（ｚ）より小さくして実現することができる。そして、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂは、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａより高いエネルギーバンドキャップを有し、量子井戸層１４１内に電子を効果的に閉じ込めることができる。これにより、発光効率が向上した窒化物半導体発光素子を提供することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。図６は、図３に示された窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示したものである。

図６を参照すると、活性層２４０は、多数の量子井戸層２４１及び多数の量子障壁層２４２を含む。また、多数の量子井戸層２４１は、Ｉｎ_zＧａ_{（１−z）}Ｎ（０＜ｚ＜１）から成り、多数の量子障壁層２４２は、各々、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂを含む。

この場合、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａは、量子井戸層２４１との格子定数の差を緩和し、量子障壁層として機能するために量子井戸層より高いエネルギーバンドキャップを有するように形成される。そして、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂは、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａより高いエネルギーバンドキャップを有し、量子井戸層２４１内に電子を効果的に閉じ込めることができるようになる。

また、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂは、超格子構造で反復して形成され、Ａｌ_ｙＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層として機能することによって、上述したように、量子井戸層２４１との格子定数の差異を緩和させ、高いエネルギーバンドキャップを有することができるようになる。

図７は、本発明の第３の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。図７は、図４に示された窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示したものである。

図７を参照すると、ｎ型窒化物半導体層３３０及びｐ型窒化物半導体層３５０の間に活性層３４０が位置し、活性層３４０は多数の量子井戸層３４１及び多数の量子障壁層３４２を含む。この場合、多数の量子障壁層３４２は、各々、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａ、ＧａＮ層３４２ｂ及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃを含む。この場合、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａは、量子井戸層３４１との格子定数の差異を緩和させ、量子障壁層として機能するために量子井戸層より高いエネルギーバンドキャップを有するよう形成される。

また、ＧａＮ層３４２ｂは、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃの間の格子定数の差異を緩和させるものとして、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ａより高いエネルギーバンドキャップを有し、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層３４２ｃよりは低いエネルギーバンドキャップを有する。

また、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層３４２ｃは、ＧａＮ層３４２ｂより高いエネルギーバンドキャップを有し、量子井戸層３４１内に電子を効果的に閉じ込めることができるようになる。これにより、発光効率が向上した窒化物半導体発光素子を提供することができるようになる。

図５〜図７のエネルギーバンドダイアグラムにおいて、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層１４２ａ、２４２ａ、３４２ａとＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層１４２ｂ、２４２ｂ、３４２ｃ又はＧａＮ層３４２ｂで同一の種類の層は、同一のエネルギーバンドキャップを有するものとして示されているが、各層は、互いに異なるエネルギーバンドキャップを有することもできる。例えば、図３に示された複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層２４２ａの各々のＩｎ組成（ｘ）を調節してエネルギーバンドキャップを異なるようにすることができる。又は、図３に示された複数のＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層２４２ｂの各々のＡｌ組成（ｙ）を調節してエネルギーバンドキャップを異なるようにすることもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲における本発明の要旨から逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者により多様な変形を行うことが可能である。また、このような変形による実施は、本発明の技術的思想及び展望から個別に理解されてはならない。

従来の技術による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の第１の実施形態による窒化物半導体発光素子を表す図である。 本発明の第２の実施形態による窒化物半導体発光素子を表す図である。 本発明の第３の実施形態による窒化物半導体発光素子を表す図である。 本発明の第１の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の第２の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の第３の実施形態による窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。

符号の説明

１４０、２４０、３４０ 活性層
１４１、２４１、３４１ 量子井戸層
１４２、２４２、３４２ 量子障壁層
１４２ａ、２４２ａ、３４２ａ Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層
１４２ｂ、２４２ｂ、３４２ｃ Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層
３４２ｂ ＧａＮ層

Claims (5)

1. 基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上に形成され、量子障壁層及び量子井戸層から成る活性層と、
   前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、を含み、
   前記複数の量子井戸層は、Ｉｎ_ｚＧａ_{（１−ｚ）}Ｎ（０＜ｘ＜ｚ＜１）から成り、
   前記量子障壁層は、複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層（０＜ｘ＜１）及び少なくともひとつ以上のＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層（０＜ｙ＜１）を含み、前記複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層の間にＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層が積層された構造を有し、
   前記複数のＩｎ _ｘ Ｇａ _{（１−ｘ）} Ｎ層と前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _{（１−ｙ）} Ｎ層のそれぞれの間に形成されたＧａＮ層を含んで少なくとも５層の多層構造を有し、
   前記量子障壁層を成すＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層は各々、０．５〜１０ｎｍの厚さを有し、
   前記複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層は、前記量子井戸層より大きく、前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層より低いエネルギーバンドキャップを有し、
   前記量子障壁層は、２〜１５ｎｍの厚さを有し、前記量子井戸層は、１〜１５ｎｍの厚さを有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記量子障壁層は、前記複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層の間にＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層が積層され、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層とＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層が交互に２回以上反復して積層された超格子構造を有す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. 前記量子障壁層を成すＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層及びＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層は各々、０．３〜３ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記複数のＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層は、前記量子井戸層より高く、前記ＧａＮ層より低いエネルギーバンドキャップを有し、前記ＧａＮ層は前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層より低いエネルギーバンドキャップを有す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。
5. 前記量子障壁層を構成するＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ層、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ層及びＧａＮ層は各々、０．５〜１０ｎｍの厚さを有す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。

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