JP5671244B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、主に窒化物系半導体（例えば、一般式Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた半導体発光素子及びこれを用いた発光装置並びその製造方法に関する。

発光層を挟んでｐ型半導体層及びｎ型半導体層を積層した半導体発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）、並びにこれらを用いた照明などの発光装置が実用化されている。特に窒化物系材料（以下、集合的に「ＧａＮ」と呼ぶことがある。）を用いた半導体発光素子は、青や緑などの発光が得られることから、研究開発も盛んに進められている。

これらの半導体発光素子を製造する方法として、異種基板上にＧａＮを成長させることが知られている。この方法では、異種基板をサーマルクリーニングした後に、その上面に低温バッファ層を成長し、その後高温にてＧａＮ層を成長させる。ここでＧａＮ層を成長させる目的は、基板表面の平坦化や、また異種基板からの貫通ピットを無くすため等である。その後、ｎ型オーミック電極とのオーミック接合面となるｎ型不純物をドープした層として、ｎコンタクト層を成長させる。さらにその後は、活性層の下地層となる超格子層を積層し、活性層へと繋げる。

このような製造方法では、異種基板上にＧａＮを成長させるため、ＧａＮ層に存在する無数の転位が、ｎコンタクト層、活性層からｐ型半導体層へと引き継がれることとなる。特に活性層がＩｎを含む場合は結晶欠陥が存在しており、これは下地からの転位量に依存する。すなわち、転位が多い程、結晶欠陥も多くなる結果、非発光再結合確率が大きく左右されることとなる。

一方、高輝度で高効率な発光素子を得るために、井戸層の厚みや活性層の積層数を多くすることが行われている（例えば特許文献１〜５）。例えば特許文献１では、活性層の半導体量子井戸構造を構成する障壁層及び井戸層の内、井戸層の膜厚を変化させて異なる波長の光を発光可能とすると共に、障壁層及び井戸層のペア数を、ｎ側半導体層側よりもｐ側半導体層側で多くしている。また特許文献２では、活性層に近いｐ型半導体層のｐ型不純物のドープ量を低くするかノンドープとして、ｐ型半導体層に最も近い障壁層を薄膜にすることでホール注入効率を改善している。

特開２００９−９９８９３号公報 特開２００６−１０８５８５号公報 特開２００８−１０９０６６号公報 特開２００３−２１８３９６号公報 特開２００２−２２３０４２号公報

しかしながら、一旦発生した転位や欠陥は、容易には減らすことができず、特に活性層中の井戸層を厚膜化したり、積層数を増やすことによって、転位や欠陥がさらに増える傾向にある。この結果、転位や結晶欠陥の多い発光層となって高い発光効率を得ることができなくなる。この場合に活性層中の井戸層を厚膜化したり積層数を増やしても、単に直列抵抗成分を増やす結果となって、順方向電圧Ｖｆが高くなり高効率化を妨げるという問題があった。

本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の主な目的は、転位や結晶欠陥に起因する発光効率の低下を抑制し、直列抵抗成分を減少させることで、更なる高効率化を図った発光素子を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の半導体発光素子によれば、基板と、前記基板上に順に積層されたｎ型半導体層、活性領域及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成し、井戸層で発生した結晶欠陥を補填するための層として、各層の厚みが略等しい複数の第一障壁層と、前記第一障壁層よりも前記ｐ型半導体層側に設けられ、かつ前記第一障壁層の膜厚よりも薄い膜厚を有する、各層の厚みが略等しい複数の第二障壁層を備え、前記第一障壁層の総数は、前記第二障壁層の総数よりも多く、前記活性領域内の第二障壁層の内、一番上の第二障壁層の上に接するように前記ｐ型半導体層を積層することができる。これにより、結晶性を改善し、発光効率を向上させた窒化物系半導体発光素子を得ることができる。

また、他の半導体発光素子によれば、基板と、前記基板上に順に積層されたｎ型半導体層、活性領域及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成し、井戸層で発生した結晶欠陥を補填するための層として、各層の厚みが略等しい複数の第一障壁層と、前記第一障壁層よりも前記ｐ型半導体層側に設けられ、かつ前記第一障壁層の膜厚よりも薄い膜厚を有する、各層の厚みが略等しい複数の第二障壁層を備え、前記第一障壁層の総数は、前記第二障壁層の総数よりも多く、さらに前記複数の第二障壁層の内、一番上の第二障壁層の上に、第三井戸層と第三障壁層とを備え、前記活性領域内の、一番上の第三障壁層の上に接するように前記ｐ型半導体層を積層することができる。

さらにまた、前記第一障壁層は、前記第一障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、前記第一障壁層の膜厚が、前記井戸層の膜厚の２倍以上とできる。これにより、発光再結合効率の高いｎ型半導体層側の結晶性を改善し、さらに発光効率を向上させることができる。

さらにまた、前記第一障壁層及び第二障壁層はそれぞれ、該第一障壁層、第二障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、前記井戸層がＩｎＧａＮで構成され、前記第一障壁層及び第二障壁層がＧａＮ、又は、前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮで構成することができる。これにより、井戸層中の結晶欠陥を第一障壁層及び第二障壁層で埋めることができ、高効率な発光素子が得られる。

さらにまた、前記活性領域の一周期を構成する井戸層と第一障壁層及び第二障壁層の間に、前記井戸層及び第一障壁層及び第二障壁層と組成の異なるキャップ層を各々設けることができる。

さらにまた、前記キャップ層をＡｌＧａＮ層で構成できる。これにより、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎが抜ける事態をＡｌＧａＮキャップ層で効果的に阻止でき、高い発光効率を維持できる。

本発明の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子を用いた発光装置の素子構造を示す模式断面図である。 図１の窒化物系半導体発光素子の半導体構造を示す模式断面図である。 障壁層の例を示す模式断面図である。 井戸層及び障壁層で構成された多重量子井戸構造の活性領域を電子及び正孔が移動する様子を示す模式図である。 変形例に係る活性領域を３つのグループに分割した構成を示す模式断面図である。 比較試験１の結果を示すグラフである。 比較試験２の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、窒化物系半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、窒化物系半導体発光素子を以下のものに特定しない。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。さらに、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。
（実施の形態１）

図１に、本発明の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子、具体的には発光装置の素子構造を模式的に示す。図１の発光素子１００は、基板４と、この基板４上に積層された半導体構造１０とを有する窒化物系半導体発光素子である。半導体構造１０は、活性領域１３を挟んで積層されたｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１２とを含む。つまり発光素子１００は、基板４上に、ｎ型半導体層１１、活性領域１３、ｐ型半導体層１２をこの順に積層して構成される。さらに発光素子１００は、ｐ型半導体層１２の一部を除去して露出されたｎ型半導体層１１にｎ型電極２１を形成されると共に、ｐ型半導体層１３の主面にはｐ型電極２２を備える。このｎ型電極２１及びｐ型電極２２を介して、ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１２にそれぞれ電力が供給されると、活性領域１３より光が出射し、半導体構造１０の上方に位置するｐ型半導体層１２側を主発光面側として、すなわち図１の上方から主に光が取り出される。

活性領域１３は、多重量子井戸構造を構成する障壁層２を有する。図１の活性領域１３は、井戸層１と、この井戸層１と組成の異なる障壁層２と、を含む複数層を一周期として、複数周期を繰り返し積層した多重量子井戸構造である。障壁層２は、複数の第一障壁層１３１２と、この第一障壁層１３１２よりもｐ型半導体層１２側に設けられ、かつ第一障壁層１３１２の膜厚よりも薄い膜厚を有する複数の第二障壁層１３２２とから少なくとも構成されており、第一障壁層１３１２の総数は、第二障壁層１３２２の総数よりも多い。

また活性領域１３は、第一障壁層１３１２及び第二障壁層１３２２のそれぞれに対応して、第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２を構成する。具体的には、（１）第一井戸層１３１１と、この第一井戸層と組成の異なる第一障壁層１３１２と、を含む複数層を一周期として複数周期を積層した多重量子井戸構造の第一活性領域１３１と、（２）第一活性領域１３１よりもｐ型半導体層１２側に設けられ、第一井戸層１３１１と略等しい組成及び膜厚を有する第二井戸層１３２１と、この第一障壁層１３１２と略等しい組成を備え、その膜厚を第一障壁層１３１２よりも薄くした第二障壁層１３２２と、を含む複数層を一周期として複数周期を積層した多重量子井戸構造の第二活性領域１３２と、を含む。また第一活性領域の一周期繰り返し数は、第二活性領域の一周期繰り返し数よりも多い。
（半導体構造１０）

半導体構造１０の詳細を、図２の断面図に示す。この図に示すように、半導体構造１０はｎ型半導体層１１上に、活性領域１３、ｐ型半導体層１２が積層されて構成される。さらに活性領域１３は、ｎ型半導体層１１側からｐ型半導体層１２側に向かって、第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、最終障壁層１５とを順に積層している。つまり、最終障壁層１５は、多重量子井戸構造とｐ型半導体層１２との間に介在されており、ｐ型半導体層１２に最も近い側に位置する。この最終障壁層１５の膜厚は、他の障壁層、すなわち第一障壁層１３１２及び第二障壁層１３２２のそれぞれの膜厚よりも厚い。
（第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２）

第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２は、各々、井戸層１３１１、１３２１と障壁層１３１２、１３２２とを含む組（ペア）を一周期として、複数の周期を繰り返して積層した多重量子井戸構造としている。図２の第一活性領域１３１は、第一井戸層１３１１と第一障壁層１３１２とから構成されたペアｐ１−１、ｐ１−２、ｐ１−３、ｐ１−４を４組積層し、さらにこの第一活性領域１３１上に第二活性領域１３２を配置している。第二活性領域１３２は、同様に第二井戸層１３２１と第二障壁層１３２２からなるペアｐ２−１、ｐ２−２から構成され、図２の例では二周期繰り返して形成されている。第一活性領域１３１を構成する各ペアｐ１−１、ｐ１−２、ｐ１−３、ｐ１−４は厚みがそれぞれ略等しく、さらに各ペアを構成する第一井戸層１３１１同士の厚み、また第一障壁層１３１２同士の厚みもそれぞれ略等しい。同様に、第二活性領域１３２を構成する各ペアｐ２−１、ｐ２−２の厚みが等しく、第二井戸層１３２１同士、また第二障壁層１３２２同士の厚みも略等しい。また図の例では、ｎ型半導体層１１に近接する側を第１の井戸層１３１１とし、この井戸層１３１１の上に第１障壁層１３１２を積層させてペアを構成しているが、ｎ型半導体層１１側に近接する層は井戸層に限らず、障壁層としてもよい。
（井戸層及び障壁層）

井戸層はその組成中にインジウムを含む半導体層であり、好ましくはＩｎＧａＮ層とする。また障壁層は、井戸層と異なる組成の半導体層であり、例えばＧａＮ層、又は、井戸層よりもＩｎの混晶比が低いＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などが挙げられ、好ましくは組成中にインジウムを含まない層とする。好適には、ＧａＮ層とする。

第二活性領域１３２の各第二井戸層１３２１の膜厚は、第一活性領域１３１の各第一井戸層１３１１の膜厚と等しくする。活性領域に含まれる各井戸層の膜厚を略等しくする発光素子は、出力光の波長や色純度を一定に維持しつつ、障壁層の膜厚を変化させて高効率化を図ることができる。一方で、ｐ型半導体層１２側に面した第二活性領域１３２の第二障壁層１３２２の膜厚を、ｎ型半導体層１１側に面した第一活性領域１３１の第一障壁層１３１２よりも薄くしている。つまり、活性領域１３に含まれる障壁層の膜厚の内、最終障壁層１５を除いて、ｐ型半導体層１２側に位置する障壁層の膜厚が、ｎ型半導体層１１側に位置する障壁層の膜厚よりも薄く形成されている。さらに多重量子井戸構造を構成する障壁層２の内、最終障壁層１５に隣接した２層の障壁層１３２２の平均膜厚は、他の障壁層１３１２の平均膜厚よりも薄い。したがって第一障壁層１３１２が第二障壁層１３２２よりも膜厚が厚い分、第一活性領域１３１を構成する各ペアｐ１−１、…は、第二活性領域１３２を構成する各ペアｐ２−１、…よりも膜厚を厚くして構成される。言い換えると、多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、最終障壁層１５に面した障壁層及びこの障壁層と最終障壁層１５に面した側と反対側で対向する障壁層の２層の平均膜厚が、多重量子井戸構造に含まれる他の障壁層の平均膜厚よりも薄い。

障壁層は、量子井戸効果を発揮させる以外に、井戸層で発生した結晶欠陥を補填する作用もある。例えば図４に示すように、ＩｎＧａＮ層の井戸層ではＩｎの混晶比が高くなる程、結晶欠陥や転位が増える。特に、緑色系のような発光波長が長波になる場合は、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎの混晶比を高くする必要が生じる。Ｉｎの混晶比を高くなると結晶性が悪くなって欠陥が増え、これは層成長を繰り返す程、すなわちｐ型半導体層側（図３では上、図４では右）に向かう程ひどくなる。ｎ型半導体層１１上にｐ型半導体層１２を積層する図４の構造においては、左から右に向かう程、欠陥や転位が増加する。これを改善するため、ＩｎＧａＮ井戸層の上に、ＧａＮ障壁層を厚く積層し、結晶欠陥を埋めると共に、ｐ型半導体層１２の不純物が活性領域側に拡散し、井戸層に混入する事態を阻止し、もって活性領域の結晶性を改善することが行われていた。しかしながら、障壁層が厚くなると抵抗成分が増大して、ＯＮ時の順方向電圧が高くなるという問題があった。この問題を解決するため、本発明者は鋭意研究の結果、ｎ型半導体層１１側の障壁層の厚さを維持しつつ、ｐ型半導体層１２側の障壁層を薄くすることで順方向電圧を低下させることに成功したものである。

障壁層の膜厚は、好ましくは第一障壁層１３１２の膜厚が第二障壁層１３２２の１．１倍〜２．０倍、より好ましくは１．２〜１．５倍程度の厚みとなるように設定する。このように設定することによって、活性層としての機能を十分に発揮できる一方で、直列抵抗成分が過大になることが抑制され、活性領域の発光効率の低下を回避できる。また第一障壁層１３１２の膜厚が、井戸層１３１１、１３２１の膜厚の２倍以上であることが好ましい。障壁層を厚くすることで、長波長の発光スペクトルを高効率に得られる。これは、厚い障壁層が、インジウム混晶比を高くすることで生じうる欠陥部位を補填できるため、良好な井戸層を得られることに起因する。特に、発光再結合効率に寄与するｎ型半導体層１１側で障壁層１３１２を厚くすることで、より顕著に発光効率の向上効果が得られる。
（活性領域１３のペア積層数）

さらに好ましくは、第二活性領域１３２のペア積層数（積層した周期の数）は、第一活性領域１３１のペア積層数よりも少なくする。具体的には、第二活性領域１３２に対して、第一活性領域１３１のペア積層数を２倍以上、好適には３倍以上のペア積層数とする。このように構成することで、活性領域としての機能を十分発揮しつつ、必要以上に直列抵抗成分を増加させることなく、かつ活性領域の下地層としての役割を果たし、発光効率を低下させる事態を回避できる。
（キャップ層）

さらに図３に示すように、井戸層と障壁層の間に、これら井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層１３１３を設けることが好ましい。キャップ層１３１３は、井戸層から組成中のインジウムが抜けるのを阻止するための層である。キャップ層としては、例えばＩｎＧａＮ井戸層に対して、ＡｌＧａＮ層で構成する。このようなキャップ層１３１３を井戸層の上面に積層して閉塞することで、インジウムの分解を阻止して、発光効率を改善できる。
（最終障壁層）

ｐ型半導体層１２に最も近い位置に積層される最終障壁層１５は、第一障壁層１３１２や第二障壁層１３２２よりも膜厚を厚くする。特に最終障壁層１５の膜厚を第二障壁層１３２２以上の膜厚とすることで、第二活性領域１３２で発生した結晶欠陥を効率よく埋め込むことができ、半導体素子として高い信頼性を得られる。なお、最終障壁層１５を除く障壁層でもって活性領域１３内の結晶欠陥を十分に補てんし、特にｎ型半導体層１１寄りの発光再結合効率が高効率に確保されている場合は、最終障壁層１５の厚みを最も近接する他の障壁層（図２の例であれば第二活性領域１３２のペアｐ２−２の第二障壁層１３２２）の厚みと同等程度とすればよい。あるいは最終障壁層１５を省略して、活性領域内の多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、最も上部に位置する障壁層、すなわち最も薄い膜厚を有する障壁層の上に、ｐ型半導体層を積層させることも可能である。

以上の例においては、半導体層の活性領域１３を第一活性領域１３１と第二活性領域１３２の２つのグループに分割した例を説明したが、この構成に限られず、３以上の活性領域に分割することも可能であることはいうまでもない。図５に、変形例として活性領域１３をｎ型半導体層１１側からｐ型半導体層１２側に向かって順に、第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、第三活性領域１３３の３つのグループに分割した例を示す。この構成においても、第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、第三活性領域１３３において、井戸層の厚さは一定に維持しつつ、障壁層の厚さを第一活性領域１３１＞第二活性領域１３２＞第三活性領域１３３に設定している。これによって、上記と同様に抵抗成分を低減して順方向電圧の低下が図られる。また、井戸層と障壁層のペア数を多くすることで順方向電圧Ｖｆを低減し、発光効率（ルーメンパーワット）を改善できる。この際、ペア数を第一活性領域１３１＞第二活性領域１３２＞第三活性領域１３３とすることで、全ての発光領域への均一なキャリア注入を可能とするため、さらに発光効率を改善できる。

具体的に図５の活性領域１３は、図２に示される第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２に加えて、さらに上方に第三活性領域１３３を積層しており、この第三活性領域１３３は、第三井戸層１３３１と第三障壁層１３３２とから構成されたペアｐ３−１を一組有する。さらに、上記の変形例では第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、第三活性領域１３３それぞれにおける障壁層の厚さを一定にして、段階的に膜厚を変化させているが、ｎ型半導体層１１側からｐ型半導体層１２側に向かって徐々に障壁層の厚さが薄くなるように、膜厚を連続的に変化させても良い。
（基板）

半導体層を成長される基板としては、上面に窒化物系半導体を成長させることが可能な基板であって、窒化物系半導体とは組成の異なる基板を用いることができる。このような異種基板を構成する材料としては、例えばＣ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ₁₂Ｏ₄のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物系半導体と格子整合する酸化物基板等である。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。

また異種基板は、オフアングルしていてもよい。この場合は、ステップ状にオフアングルしたものを用いることで、窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長されるため、好ましい。更に異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物系半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物系半導体の単体基板として素子構造を形成してもよい。また素子構造形成後に、異種基板を除去することもできる。

本実施例では、成長基板としてサファイア基板を用いているが、他の異種基板、例えば窒化物系半導体以外の基板を用いても良い。さらに異種基板に代えて、ＧａＮ基板を用いても良い。
（バッファ層）

異種基板を用いる場合には、低温成長層であるバッファ層、及び窒化物系半導体（例えばＧａＮ）からなる下地層を介して、半導体層の素子構造を形成させる。このようにバッファ層と下地層を介在させることで、窒化物系半導体の成長が良好なものとなる。なお、バッファ層や下地層は一層のみとする他、複数層で構成しても良い。またバッファ層のみで下地層の機能を兼用させても良い。
（製造方法）

本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法について説明すると、まず３インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるバッファ層を２５０Åの膜厚で成長させる。その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１５０００Åの膜厚で成長させて下地層とする。この下地層の上に、素子構造１０となるｎ型半導体層１１、活性領域１３、ｐ型半導体層１２を順次積層していく。

まず、得られた下地層上にＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１１５０℃でＳｉドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を、４００００Åの膜厚で成長させる。

次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアと不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープしたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる第一層を２２Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＩを止めＧａＮよりなる第二層を１１Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ３０回繰り返して第一層と第二層の積層し、総膜厚６６０Åの多層膜（超格子構造）よりなる介在層を成長させる。このとき、ＩｎＧａＮのＩｎ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にバッファ層として機能させることができる。

このように半導体発光素子は、ｎ型半導体層と活性領域との間に、インジウムを含む介在層を有することができる。結晶性の良好なｎ型半導体層と活性領域の間に、緩衝層の働きを持ったインジウムを含む介在層（ＳＬＢ層）を設けることで、活性層への応力を緩和でき、不要な応力の印加を回避できる。なお、このような介在層としては、温度を１０００℃でインジウムを含むノンドープ単層としても、十分にバッファ層として機能させることができる。加えて、介在層にｎ型不純物をドープしてもよい。これによりキャリアの注入効率やキャリア量を増加させることができ、この結果、発光効率が向上すると共にＶｆを低減できる効果を得られる。この場合は、さらにＳｉドープすれば抵抗率を下げることができるため、低抵抗なバッファ層とすることができる。

さらに後述する活性領域の一周期が、インジウムを含む井戸層と、この井戸層と組成の異なる障壁層と、これら両方の層と組成の異なるキャップ層の、計３層以上を一周期とする活性領域構造を具備する場合においては、介在層を省いてもよい。

次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＧを用い、ＳｉドープのＧａＮ層を膜厚４０Åにて形成し、その上にアンドープのＧａＮ層を膜厚２０Åにて形成する。

以上によりｎ型半導体層１１が形成され、続いて活性領域１３として、例えば組成中にインジウムを含む井戸層と、組成中にインジウムを含まない障壁層を備える半導体層を構成する。具体的にはアンドープのＩｎ_0.57Ｇａ_0.43Ｎよりなる井戸層、および、ＧａＮよりなる障壁層を１周期として、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層・・・となるように複数周期を繰り返し順に積層する。このとき、ｎ型半導体層側の障壁層（第一活性領域の第一障壁層）の膜厚よりも、ｐ型半導体層側の障壁層（第二活性領域の第二障壁層）の膜厚の方が薄くなるように形成される。また、井戸層と障壁層の間に、その両方と組成の異なる障壁層を導入しても良い。このようにして多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が構成される。さらにｐ型半導体層に最も近い側にはＧａＮよりなる最終障壁層１５を形成することができる。

次に、ｐ型半導体層１２を形成する。ｐ型半導体層１２は、障壁層と同じ組成の層を含んでもよい。特にp型半導体層をＡｌＧａＮ組成とすることで、ＩｎＧａＮ井戸層とのバンドギャップ差をＧａＮ障壁層よりも大きくできる。この結果、キャリアオーバーフローを抑制して効率良くキャリアを閉じ込めることとなり、発光再結合効率を上げることができる。具体的にはまず、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層を１５０Åの膜厚で成長させる。この電子閉込層を設けることで、キャリアとなる電子の閉込め機能を発揮させて、高出力化に寄与させる。ただし、電子閉込層は省略することもできる。

さらに、活性領域の構造がインジウムを含む井戸層と、この井戸層と組成の異なる障壁層と、これらの両方と組成の異なるキャップ層の計３層以上を一周期とする構造の場合においては、ＭｇドープのＧａＮ層を設けることでも、高出力に寄与できる。

次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮ層を、２０００Åの膜厚で成長させる。

さらに、同様の温度で、アンドープＧａＮ層の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｐ型ロードープコンタクト層を、１０００Åの膜厚で成長させる。このようなｐ型ロードープコンタクト層としては、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができる。好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、低抵抗な層が得られる。

最後に、同様の温度で、ｐ型ロードープコンタクト層の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができる。好ましくは、ｐ型コンタクト層をＭｇをドープしたＧａＮ層とすれば、ｐ電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層は電極を形成する層であるので、１×１０¹⁷／ｃｍ³以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０¹⁷／ｃｍ³よりも低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。このようにして反応を終了した後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型半導体層を更に低抵抗化する。

また半導体発光素子１００は、井戸層に対応した発光スペクトルのピークを有する光を出射できる。上述の製造方法により、実施例の窒化物半導体発光素子１００であれば、出力光の波長を５３０ｎｍ以上とできる。これにより、緑色系やアンバー系等の長波長系の窒化物系半導体発光素子において、井戸層中の混晶比が高く結晶性が悪くなる傾向にあっても、好適に発光効率を改善できる。
（比較試験１）

以上のようにして製造した窒化物系半導体発光素子を用いて、本願発明の構成による有用性を確認する試験を行った。具体的には、図２の半導体層構造を有する窒化物系半導体発光素子をφ５タイプの砲弾型ランプへ実装し、その発光強度（φｅ）と発光効率（φｅ／Ｗ）を測定した。具体的な半導体層構造は、活性領域のペア積層数を１２ペアとして、第一、第二障壁層１３２２の膜厚を変化させて、さらに第一、第二障壁層１３２２のペア積層数の比率を変化させた。ここでは、井戸層の膜厚を約３０Åとし、キャップ層を含む第一障壁層１３１２の膜厚を約１５０Å、キャップ層を含む第二障壁層１３２２の膜厚を約１００Åとした。なおここでは蛍光体を含有させず、測定条件として電流値を２０ｍＡ、また標本数を各条件で５個とし、測定環境を常温の積分球とした。この試験結果を、図６のグラフに示す。このグラフに示すように、ｎ型半導体層１１側の第一障壁層１３１２よりもｐ型半導体層１２側の第二障壁層１３２２を薄くした方が発光強度及び発光効率が高い。さらに、総ペア積層数が同じでも、ｎ型半導体層１１側の第一障壁層１３１２のペア積層数よりもｐ型半導体層１２側の第二障壁層１３２２のペア積層数を小さくした方が、発光強度及び発光効率が高いことが確認できた。特に、積層ペア数の比率（第一障壁層１３１２：第二障壁層１３２２）が、７：５よりも９：３の方が、発光強度及び発光効率共に優れた結果を示しており、積層ペア数の差を大きくした方が効果が大きいことが確認できた。
（比較試験２）

さらに、第二障壁層１３２２のペア積層数と順方向電圧Ｖｆの低下の度合いを確認するため、ペア積層数を変化させた試験を行った。この試験結果を図７のグラフに示す。このグラフに示すように、第二障壁層１３２２の積層ペア数を０から増やす程、順方向電圧が経過する傾向が見られ、特に積層ペア数が３以上で顕著な順方向電圧の低下が見られた。

以上のように、本発明の構成を採用することで、順方向電圧を低下して発光効率を改善できることが確認され、本発明の有用性が確認できた。

本発明の窒化物系半導体発光素子及びこれを用いた発光装置並びその製造方法は、照明用光源、発光素子、発光素子を光源としてドットマトリックス状に配置したＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、イメージスキャナ等の各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。

１…井戸層
２…障壁層
４…基板
１０…半導体構造
１１…ｎ型半導体層
１２…ｐ型半導体層
１３…活性領域
１３１…第一活性領域
１３２…第二活性領域
１３３…第三活性領域
１３１１…第一井戸層
１３１２…第一障壁層
１３１３…キャップ層
１３２１…第二井戸層
１３２２…第二障壁層
１３１２ａ…高温成長障壁層
１３１２ｂ…低温成長障壁層
１３３１…第三井戸層
１３３２…第三障壁層
１５…最終障壁層
２１…ｎ型電極
２２…ｐ型電極
１００…発光素子（窒化物系半導体発光素子）
ｐ１−１、ｐ１−２、ｐ１−３、ｐ１−４…第一の活性領域内のペア
ｐ２−１、ｐ２−２…第二の活性領域内のペア
ｐ３−１…第三の活性領域内のペア

Claims (6)

1. 基板と、前記基板上に順に積層されたｎ型半導体層、活性領域及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、
   前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成し、井戸層で発生した結晶欠陥を補填するための層として、
   各層の厚みが略等しい複数の第一障壁層と、
   前記第一障壁層よりも前記ｐ型半導体層側に設けられ、かつ前記第一障壁層の膜厚よりも薄い膜厚を有する、各層の厚みが略等しい複数の第二障壁層
   を備え、
   前記第一障壁層の総数は、前記第二障壁層の総数よりも多く、
   前記活性領域内の第二障壁層の内、一番上の第二障壁層の上に接するように前記ｐ型半導体層を積層してなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 基板と、前記基板上に順に積層されたｎ型半導体層、活性領域及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、
   前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成し、井戸層で発生した結晶欠陥を補填するための層として、
   各層の厚みが略等しい複数の第一障壁層と、
   前記第一障壁層よりも前記ｐ型半導体層側に設けられ、かつ前記第一障壁層の膜厚よりも薄い膜厚を有する、各層の厚みが略等しい複数の第二障壁層
   を備え、
   前記第一障壁層の総数は、前記第二障壁層の総数よりも多く、
   さらに前記複数の第二障壁層の内、一番上の第二障壁層の上に、第三井戸層と第三障壁層とを備え、
   前記活性領域内の、一番上の第三障壁層の上に接するように前記ｐ型半導体層を積層してなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
   前記第一障壁層は、前記第一障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、
   前記第一障壁層の膜厚が、前記井戸層の膜厚の２倍以上であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
   前記第一障壁層及び第二障壁層はそれぞれ、該第一障壁層、第二障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、
   前記井戸層がＩｎＧａＮで構成され、
   前記第一障壁層及び第二障壁層がＧａＮ、又は、前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮで構成されてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
5. 請求項４に記載の窒化物系半導体発光素子であって、さらに、
   前記活性領域の一周期を構成する井戸層と第一障壁層及び第二障壁層の間に、前記井戸層及び第一障壁層及び第二障壁層と組成の異なるキャップ層を各々設けてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
6. 請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
   前記キャップ層が、ＡｌＧａＮ層で構成されてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。

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