JP5880383B2 - 半導体発光素子、発光装置 - Google Patents

半導体発光素子、発光装置 Download PDF

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Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子、半導体発光素子を備えた発光装置に関する。
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、一般に、キャリアとしての電子（エレクトロン）を生成するためのｎ型不純物を含有するｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体層と、キャリアとしての正孔（ホール）を生成するためのｐ型不純物を含有するｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体層との間に、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む発光層を配置して形成されている。そして、この種の半導体発光素子では、複数の井戸層と複数の障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸構造にて、発光層を構成することが知られている（特許文献１参照）。また、特許文献１には、複数の井戸層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成を調整することにより、発光層から緑色を呈する波長の光を出力することも記載されている。
特開２００９−２８３６２０号公報
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、緑色を呈する波長の光を出力する構成を採用した場合に、青色光や紫外光を出力する構成を採用した場合に比べて、発光層内及び発光層上に積層される層に大きな歪みが生じ、出力される発光波長の分布がブロードなものとなりやすかった。
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて緑色を呈する波長の光を出力する半導体発光素子において、出力される光の発光波長の分布を低減し単色性を向上させることを目的とする。
本発明の半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層とを含み、前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、前記ｐ側障壁層の厚さが、前記ｎ側障壁層を含む残りの４層以上の障壁層の厚さよりも薄く、且つ、前記閉じ込め層の厚さが当該ｐ側障壁層よりも薄いことを特徴としている。
また、本発明の半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層とを含み、前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、５層以上の前記障壁層における前記ｐ側障壁層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの４倍以下であることを特徴としている。
このような半導体発光素子において、５層以上の前記障壁層がそれぞれＧａＮで構成されるとともに、４層以上の前記井戸層がそれぞれＧａＩｎＮで構成され、前記閉じ込め層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．１）で構成されることを特徴とすることができる。
また、前記閉じ込め層は、前記ｐ型不純物として３×１０１８〜３×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のＭｇを含むことを特徴とすることができる。
そして、前記閉じ込め層の厚さが２．０ｎｍ以上８．０ｎｍ以下であることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明の発光装置は、第１配線および第２配線が形成された基部と、当該基部に取り付けられ且つ当該第１配線および当該第２配線と電気的に接続され、当該第１配線および当該第２配線を介した通電により発光する半導体発光素子とを備え、前記半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記第１配線とを電気的に接続するためのｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記第２配線とを電気的に接続するためのｎ側電極とを含み、前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、前記ｐ側障壁層の厚さが、前記ｎ側障壁層を含む残りの４層以上の障壁層の厚さよりも薄く、且つ、前記閉じ込め層の厚さが当該ｐ側障壁層よりも薄いことを特徴としている。
さらに、本発明の発光装置は、第１配線および第２配線が形成された基部と、当該基部に取り付けられ且つ当該第１配線および当該第２配線と電気的に接続され、 当該第１配線および当該第２配線を介した通電により発光する半導体発光素子とを備え、前記半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記第１配線とを電気的に接続するためのｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記第２配線とを電気的に接続するためのｎ側電極とを含み、前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、５層以上の前記障壁層における前記ｐ側障壁層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの４倍以下であることを特徴としている。
本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて緑色を呈する波長の光を出力する半導体発光素子において、出力される光の発光波長の分布を低減し単色性を向上させることができる。
本実施の形態が適用される半導体発光素子の縦断面図である。 図１に示す半導体発光素子の各部を構成する材料等を説明するための図である。 半導体発光素子を搭載した発光装置の構成の一例を示す図である。 実施例１〜６に係る半導体発光素子における、発光層周辺の構造を説明するための図である。 比較例１〜６に係る半導体発光素子における、発光層周辺の構造を説明するための図である。 実施例１〜６および比較例１〜６に係る半導体発光素子による、スペクトル半値幅の関係を示すグラフ図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面における各部の大きさや厚さ等は、実際の半導体発光素子等の寸法とは異なっている場合がある。
図１は、本実施の形態が適用される半導体発光素子（発光ダイオード）１の縦断面図を示している。
（半導体発光素子）
この半導体発光素子１は、基板１１０と、基板１１０上に積層される中間層１２０と、中間層１２０上に積層される下地層１３０とを備える。また、半導体発光素子１は、下地層１３０上に積層されるｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０上に積層される発光層１５０と、発光層１５０上に積層されるｐ型半導体層１６０とをさらに備える。ここで、ｎ型半導体層１４０は、下地層１３０上に積層されるｎ型コンタクト層１４１と、ｎ型コンタクト層１４１上に積層されるとともに発光層１５０の積層対象となるｎ型クラッド層１４２とを有している。一方、ｐ型半導体層１６０は、発光層１５０上に積層されるｐ型クラッド層１６１と、ｐ型クラッド層１６１上に積層されるｐ型コンタクト層１６２とを有している。なお、以下の説明では、必要に応じて、これら中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０を、まとめて積層半導体層１００と呼ぶことがある。
さらに、半導体発光素子１は、ｐ型半導体層１６０（より具体的にはｐ型コンタクト層１６２）の一部に積層されるｐ側電極１７０と、積層半導体層１００のうち、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部を切り欠くことによって露出した、ｎ型半導体層１４０の半導体露出面の一部に積層されるｎ側電極１８０とを有する。なお、ｎ側電極１８０が形成される半導体露出面においては、ｎ型半導体層１４０におけるｎ型コンタクト層１４１が露出している。また、ｐ型半導体層１６０とｐ側電極１７０との間には、必要に応じて、発光層１５０から出射される光に対する透過性および導電性を有する透明導電層を形成することがある。
この半導体発光素子１においては、ｐ側電極１７０を正極とするとともにｎ側電極１８０を負極とし、ｐ側電極１７０からｎ側電極１８０に向かう電流を流すことで、発光層１５０を発光させるようになっている。なお、本実施の形態の半導体発光素子１は、発光層１５０から出力される光をｐ側電極１７０およびｎ側電極１８０が形成される側から取り出す、フェイスアップ型の発光ダイオードである。
次に、半導体発光素子１の各構成要素について、より詳細に説明を行う。
ここで、図２は、図１に示す半導体発光素子１の各部を構成する材料等を説明するための図である。以下では、図１に加えて図２も参照しつつ、半導体発光素子１の構成について説明を行う。
なお、以下の説明においては、ＩＩＩ族窒化物半導体の一例としてのＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮに関し、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
＜基板＞
基板１１０としては、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、ＧａＮ等からなる基板１１０を用いることができる。
この例では、Ｃ面を主面とするサファイアを基板１１０として用いている。この例において、基板１１０の厚さは９００μｍである。基板１１０としてサファイアを用いる場合は、サファイアのＣ面上に中間層１２０（バッファ層）を形成するとよい。
さらに、本発明において使用される基板１１０としては、例えば特開２００９−１２３７１７号公報に記載の加工基板（サファイア単結晶のＣ面からなる平面と、当該平面と非平行な複数の凸部とからなる表面とする基板など）も、好ましく適用することができる。このような加工基板を基板１１０として用いた場合、製造時（積層時）に、発光層１５０における結晶の歪みが、基板１１０の表面に設けられた凹凸形状によって低減されることから、凹凸面への結晶成長により、欠陥の低減効果と、基板／エピ層の凹凸界面における光の反射による光の取り出し効率の向上との相乗効果により、半導体発光素子１の発光出力を向上させることが可能になる。特に、歪みの大きな緑色光を出力する発光層１５０の形成には、望ましい。
ここで、加工基板の形状は、例えば、凸部を円錐形状とした場合、凸部の高さは０．３μｍ〜１．５μｍ、そして、凸部の底面の直径は０．５μｍ〜２．０μｍが、好ましい範囲である。凸部の形状については、円錐形状に限られるものではなく他の形状であってもよい。
＜積層半導体層＞
積層半導体層１００は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層であって、図１に示すように、基板１１０上に、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の各層が、この順で積層されて構成されている。ここで、ｎ型半導体層１４０は、電子（エレクトロン）をキャリアとするものであり、ｐ型半導体層１６０は、正孔（ホール）をキャリアとするものである。
以下、積層半導体層１００を構成する各層について、順次説明する。
［中間層］
中間層１２０は、基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和し、特にＣ面を主面とするサファイアで基板１１０を構成した場合には、基板１１０の（０００１）面（Ｃ面）上にｃ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、中間層１２０の上に単結晶の下地層１３０を積層すると、より一層結晶性の良い下地層１３０が積層できる。なお、本発明においては、中間層１２０の形成を行うことが好ましいが、必ずしも行わなくても良い。
中間層１２０は、多結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。特に、ＡｌＮが、品質の良好な下地層が得られやすいので、好ましい。
中間層１２０は、例えば、厚さ１０ｎｍ〜５００ｎｍのものとすることができる。中間層１２０の厚みが１０ｎｍ未満であると、中間層１２０により基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層１２０の厚みが５００ｎｍを超えると、中間層１２０としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層１２０の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。本実施の形態では、ＡｌＮを用いて中間層１２０を構成するとともに、中間層１２０の厚さを３０ｎｍとした。また、この例において、中間層１２０には、ｎ型不純物およびｐ型不純物を添加していない。
なお、中間層１２０は、ＭＯＣＶＤ法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、ＭＯＣＶＤ法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。
［下地層］
下地層１３０としては、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いることができるが、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層１３０を形成できるため好ましい。本実施の形態では、下地層１３０としてＧａＮを用いた。
下地層１３０の厚さは１００ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ（１μｍ）以上が最も好ましい。この厚さ以上にした方が、結晶性の良好な下地層１３０を得やすい。この例においては、基板１１０として上述した加工基板を使用していることから、凹凸の高さよりも下地層１３０を厚くして表面を平坦化することが必要であるため、下地層１３０の厚さを６μｍとした。
下地層１３０の結晶性を良くするためには、下地層１３０には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、半導体発光素子１の順方向電圧ＶＦを低下させるため、ｎ型の導電性が必要な場合は、ドナー不純物（ｎ型不純物）を添加することができる。本実施の形態では、下地層１３０には、不純物をドーピングしないようにした。
［ｎ型半導体層］
電子をキャリアとするｎ型半導体層１４０は、上述したように、下地層１３０上に積層されるｎ型コンタクト層１４１と、ｎ型コンタクト層１４１上に積層されるとともに発光層１５０の積層対象となるｎ型クラッド層１４２とを備えている。なお、前述の下地層１３０をｎ型半導体層１４０に含めてもよい。
これらのうち、ｎ型コンタクト層１４１は、ｎ側電極１８０を設けるための層である。本実施の形態では、ｎ型コンタクト層１４１としてＧａＮを用いた。
また、ｎ型コンタクト層１４１にはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（以下ａｔｏｍｓを省略することがある）、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、ｎ側電極１８０との良好なオーミック接触を維持できる点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉが挙げられる。本実施の形態では、ｎ型コンタクト層１４１にドープするドーパント材料としてＳｉを用い、そのドーパント濃度は３．５×１０18／ｃｍ3とした。
ｎ型コンタクト層１４１の全体の膜厚は、５００ｎｍ〜７０００ｎｍ（７μｍ）とされることが好ましい。ｎ型コンタクト層１４１の膜厚が上記範囲にあると、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶性が良好に維持され、適切な順方向電圧が得られる。本実施の形態では、ｎ型コンタクト層１４１の厚さを５μｍとした。
ｎ型クラッド層１４２は、発光層１５０へのキャリア（ここでは電子）の注入とキャリアの閉じ込めとを行なう層であり、本実施の形態では、歪みの大きな緑色光を出力する発光層１５０の形成には好ましい、超格子構造を含む層として構成されている。特に、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ構造は、発光層と類似構造になり、歪み低減の点で好ましい。
より具体的に説明すると、ｎ型クラッド層１４２は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、１０ｎｍ以下の膜厚を有するｎ型第１クラッド層１４２１と、このｎ型第１クラッド層１４２１とは組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなり、１０ｎｍ以下の膜厚を有するｎ型第２クラッド層１４２２とが交互に積層された構造を有している。そして、ｎ型クラッド層１４２は、２つのｎ型第１クラッド層１４２１で１つのｎ型第２クラッド層１４２２を挟み込む構造を有しており、ｎ型コンタクト層１４１と接する側および発光層１５０と接する側は、それぞれ、ｎ型第１クラッド層１４２１となっている。なお、この例において、ｎ型第１クラッド層１４２１の厚さおよびｎ型第２クラッド層１４２２の厚さは、それぞれ２．０ｎｍに設定されている。
ここで、本実施の形態のｎ型クラッド層１４２は、３１個のｎ型第１クラッド層１４２１と３０個のｎ型第２クラッド層１４２２とを含む６１層（３０ペア、図２における「注」を参照）で構成されている。ただし、これはあくまでも例示に過ぎず、ｎ型クラッド層１４２は、例えば、１１個以上のｎ型第１クラッド層１４２１と１０個以上のｎ型第２クラッド層１４２２とを含む構成とすることが好ましい。ｎ型クラッド層１４２の全体の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。
また、本実施の形態では、ｎ型第１クラッド層１４２１をＧａＩｎＮで、ｎ型第２クラッド層１４２２をＧａＮで、それぞれ構成している。ここで、ＧａＩｎＮを含むｎ型クラッド層１４２を形成する場合には、ｎ型第１クラッド層１４２１を構成するＧａＩｎＮを、発光層１５０のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きいものとすることが望ましい。そして、ｎ型第１クラッド層１４２１を構成するＧａＩｎＮにおけるＩｎ組成は、０．５ａｔ％〜３．０ａｔ％の範囲が望ましい。
また、ｎ型クラッド層１４２を構成するｎ型第１クラッド層１４２１およびｎ型第２クラッド層１４２２にはそれぞれｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物の濃度は１．５×１０17〜１．５×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１．５×１０18〜１．５×１０19／ｃｍ3である。ｎ型不純物の濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および半導体発光素子１の動作電圧低減の点で好ましい。ｎ型クラッド層１４２のｎ型不純物としては、上述したｎ型コンタクト層１４１と同じく、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等を用いることができ、好ましくはＳｉおよびＧｅを用いることができる。本実施の形態では、ｎ型クラッド層１４２を構成するｎ型第１クラッド層１４２１およびｎ型第２クラッド層１４２２にドープするドーパント材料としてＳｉを用い、そのドーパント濃度は３．５×１０1８／ｃｍ3とした。
［発光層］
本実施の形態の発光層１５０は、障壁層と井戸層とを交互に積層した、所謂多重量子井戸構造を有している。より具体的に説明すると、この発光層１５０は、ｎ型クラッド層１４２（ｎ型第１クラッド層１４２１）上に積層される第１障壁層１５１１と、第１障壁層１５１１上に積層される第１井戸層１５２１と、第１井戸層１５２１上に積層される第２障壁層１５１２と、第２障壁層１５１２上に積層される第２井戸層１５２２と、第２井戸層１５２２上に積層される第３障壁層１５１３と、第３障壁層１５１３上に積層される第３井戸層１５２３と、第３井戸層１５２３上に積層される第４障壁層１５１４と、第４障壁層１５１４上に積層される第４井戸層１５２４と、第４井戸層１５２４上に積層されるとともにｐ型クラッド層１６１の積層対象となる第５障壁層１５１５とを備えている。
このように、本実施の形態の発光層１５０は、５つの障壁層（第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５）と４つの井戸層（第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４）とを含む９層で構成されている。また、この発光層１５０は、２つの障壁層によって１つの井戸層を挟み込んだ構造となっている。そして、発光層１５０のうち、ｎ型半導体層１４０（ｎ型クラッド層１４２）と接する側には第１障壁層１５１１が位置し、ｐ型半導体層１６０（ｐ型クラッド層１６１）と接する側には第５障壁層１５１５が位置している。したがって、本実施の形態では、第１障壁層１５１１がｎ側障壁層として、また、第５障壁層１５１５がｐ側障壁層として、それぞれ機能している。
なお、以下の説明においては、発光層１５０のうち、第１障壁層１５１１、第２障壁層１５１２、第３障壁層１５１３、第４障壁層１５１４および第５障壁層１５１５を、まとめて障壁層１５１と呼ぶことがある。一方、以下の説明においては、発光層１５０のうち、第１井戸層１５２１、第２井戸層１５２２、第３井戸層１５２３および第４井戸層１５２４を、まとめて井戸層１５２と呼ぶことがある。
ではまず、障壁層１５１を構成する各層の厚さおよび層間の厚さの関係について説明を行う。
障壁層１５１において、第１障壁層１５１１の厚さを第１障壁厚さｔ１１、第２障壁層１５１２の厚さを第２障壁厚さｔ１２、第３障壁層１５１３の厚さを第３障壁厚さｔ１３、第４障壁層１５１４の厚さを第４障壁厚さｔ１４、第５障壁層１５１５の厚さを第５障壁厚さｔ１５、とする。この例では、第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５のうち、最もｎ型半導体層１４０（ｎ型クラッド層１４２）に近い第１障壁層１５１１および第１障壁層１５１１に続く第２障壁層１５１２〜第４障壁層１５１４が、共通の厚さ（以下では、第１の厚さと呼ぶ）に設定されている（ｔ１１＝ｔ１２＝ｔ１３＝ｔ１４）。一方、第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５のうち、最もｐ型半導体層１６０（ｐ型クラッド層１６１）に近い第５障壁層１５１５は、第１の厚さよりも薄い厚さ（以下では、第２の厚さと呼ぶ）に設定されている。
緑色光を出力する発光層１５０の障壁層１５１としては、障壁層１５１を構成する各層の厚さを、３〜３０ｎｍ、さらに好ましくは６〜１６ｎｍとすることが望ましい。３ｎｍ未満の厚さであると、各障壁層の上面が十分に平坦に形成されず、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、各障壁層の厚さが十分でないため、発光の波長が十分な長さにならない。また、各障壁層の厚さが３０ｎｍを超えると、駆動電圧の上昇や発光効率の低下を引き起こすため好ましくない。なお、この例においては、第１の厚さが１０．５ｎｍに、また、第２の厚さが８．０ｎｍに、それぞれ設定されている。
続いて、井戸層１５２を構成する各層の厚さおよび層間の厚さの関係について説明を行う。
井戸層１５２において、第１井戸層１５２１の厚さを第１井戸厚さｔ２１、第２井戸層１５２２の厚さを第２井戸厚さｔ２２、第３井戸層１５２３の厚さを第３井戸厚さｔ２３、第４井戸層１５２４の厚さを第４井戸厚さｔ２４、とする。この例では、第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４が、すべて共通の厚さ（以下では、基準井戸厚さと呼ぶ）に設定されている（ｔ２１＝ｔ２２＝ｔ２３＝ｔ２４）。井戸層１５２を構成する各層の厚さとしては、量子効果の得られる程度の厚さ、例えば１〜１０ｎｍとすることができ、より好ましくは２〜６ｎｍ、さらに好ましくは２〜４ｎｍとすると、発光出力の点で好ましい。なお、この例においては、基準井戸厚さが３．０ｎｍに設定されている。
ここで、「共通の厚さ」とは、製造誤差や測定誤差等によるずれを許容するものであって、例えば、基準となる厚さに対して±５％の範囲をいう。
今度は、障壁層１５１を構成する各層の組成および層間の組成の関係について説明を行う。
障壁層１５１において、第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５は、それぞれ、ＧａＮで構成されている。ただし、最もｎ型半導体層１４０（ｎ型クラッド層１４２）に近い第１障壁層１５１１にはｎ型不純物が添加されているのに対し、第１障壁層１５１１を除く第２障壁層１５１２〜第５障壁層１５１５には、ｎ型不純物（およびｐ型不純物）が添加されていない点が異なる。
ここで、第１障壁層１５１１に添加するｎ型不純物の濃度は５．０×１０1６〜１．５×１０１９／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは８．０×１０1６〜１．０×１０1８／ｃｍ3である。第１障壁層１５１１のｎ型不純物としては、上述したｎ型コンタクト層１４１やｎ型クラッド層１４２と同じく、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等を用いることができ、好ましくはＳｉおよびＧｅを用いることができる。本実施の形態では、第１障壁層１５１１にドープするドーパント材料としてＳｉを用い、そのドーパント濃度は１．５×１０1７／ｃｍ3とした。
なお、本実施の形態では、障壁層１５１を構成する第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５のうち、第１障壁層１５１１にはｎ型不純物（ここではＳｉ）をドープし、他の第２障壁層１５１２〜第５障壁層１５１５にはｎ型不純物をドープしないこととしているが、原料ガスの純度や製造条件等によっては、第２障壁層１５１２〜第５障壁層１５１５にも、わずかなｎ型不純物が含有されてしまうこともあり得る。ただし、本発明においては、第２障壁層１５１２〜第５障壁層１５１５にこのような理由で不可避的に含有されてしまうｎ型不純物については、「ドープする」の範ちゅうには含まないものとする。
続いて、井戸層１５２を構成する各層の組成および層間の組成の関係について説明を行う。
井戸層１５２において、第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４は、それぞれ、ＧａＩｎＮで構成される。また、井戸層１５２（第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４）は、障壁層１５１とは異なり、ｎ型不純物（およびｐ型不純物）が添加された層を有していない。
ここで、第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４を構成するＧａ１−ｙＩｎｙＮにおけるｙの大きさは、半導体発光素子１の目標発光波長によって決まる。本実施の形態では、目標発光波長が緑色を呈する波長領域（５００ｎｍ〜５７０ｎｍ）の範囲より選択されており、ｙの大きさは、好ましくは０．０５＜ｙ＜０．３０の範囲であり、さらに好ましくは０．１０＜ｙ＜０．２０の範囲である。第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４は、共通の波長の光を出力するよう、共通の厚さ且つ共通の組成に設定されている。
そして、本実施の形態では、障壁層１５１における第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５が、井戸層１５２を構成する第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４の第１井戸厚さｔ２１〜第４井戸厚さｔ２４の４倍以下（ｔ１５≦４×ｔ２１、ｔ１５≦４×ｔ２２、ｔ１５≦４×ｔ２３、ｔ１５≦４×ｔ２４）となっている。
［ｐ型半導体層］
正孔をキャリアとするｐ型半導体層１６０は、発光層１５０上に積層されるｐ型クラッド層１６１と、ｐ型クラッド層１６１上に積層されるとともにｐ側電極１７０の積層対象となるｐ型コンタクト層１６２とを備えている。なお、以下の説明においては、ｐ型クラッド層１６１の厚さを、ｐ型クラッド厚さｔ３０と呼ぶ。
閉じ込め層の一例としてのｐ型クラッド層１６１は、発光層１５０へのキャリア（ここでは正孔）の注入とキャリアの閉じ込めとを行なう層である。ｐ型クラッド層１６１としては、発光層１５０のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であって、発光層１５０へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．１）、より好ましくはＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）を用いることができる。
ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０の大きさは、好ましくは２．０ｎｍ〜８．０ｎｍであり、より好ましくは４．０ｎｍ〜６．０ｎｍである。Ａｌを含むｐ型クラッド層１６１の膜厚は、発光層１５０への歪みへ影響を及ぼすことから、上記範囲より選択することが好適である。ここで、ｐ型クラッド厚さｔ３０は、井戸層１５２を構成する第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４の基準井戸厚さ（この例では３．０ｎｍ）の３倍以下（ｔ３０≦３×基準井戸厚さ）に設定される。また、ｐ型クラッド厚さｔ３０は、最終障壁層である第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５（この例では８．０ｎｍ）よりも小さくすることが好ましい。この例においては、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを用いてｐ型クラッド層１６１を構成するとともに、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０を４．９ｎｍとした。したがって、本実施の形態では、障壁層１５１における第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５が、残りの第１障壁層１５１１〜第４障壁層１５１４の第１障壁厚さｔ１１〜第４障壁厚さｔ１４よりも小さく（ｔ１５＜ｔ１１、ｔ１５＜ｔ１２、ｔ１５＜ｔ１３、ｔ１５＜ｔ１４）設定され、且つ、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、障壁層１５１における第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５よりも小さく（ｔ３０＜ｔ１５）設定されている。
ｐ型クラッド層１６１におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは３×１０18〜３×１０19／ｃｍ3である。ｐ型クラッド層１６１におけるｐ型不純物濃度が上記範囲であると、ｐ型クラッド層１６１およびｐ型クラッド層１６１の上に積層されるｐ型コンタクト層１６２の両者における結晶性の低下を抑制できる点で好ましい。本実施の形態では、ｐ型クラッド層１６１にドープするドーパント材料としてＭｇを用い、そのドーパント濃度は１．５×１０19／ｃｍ3とした。
また、ｐ型クラッド層１６１は、上述したｎ型クラッド層１４２と同様に超格子構造としてもよく、この場合には、組成比が異なるＡｌＧａＮと他のＡｌＧａＮとの交互構造または組成が異なるＡｌＧａＮとＧａＮとの交互構造であることが好ましい。
ｐ型コンタクト層１６２は、直接あるいは図示しない透明導電層を介してｐ側電極１７０を設けるための層である。本実施の形態において、ｐ型コンタクト層１６２は、ｐ型クラッド層１６１上に積層されるｐ型第１コンタクト層１６２１と、ｐ型第１コンタクト層１６２１上に積層されるとともに透明導電層あるいはｐ側電極１７０の積層対象となるｐ型第２コンタクト層１６２２とを備えている。ここで、ｐ型第１コンタクト層１６２１およびｐ型第２コンタクト層１６２２は、それぞれ、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．４）で構成されることが好ましい。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および透明導電層（あるいはｐ側電極１７０）との良好なオーミック接触の維持が可能となる点で好ましい。この例においては、ｐ型コンタクト層１６２を構成するｐ型第１コンタクト層１６２１およびｐ型第２コンタクト層１６２２として、それぞれＧａＮを用いた。
また、ｐ型コンタクト層１６２を構成するｐ型第１コンタクト層１６２１およびｐ型第２コンタクト層１６２２にはそれぞれｐ型不純物がドープされていることが好ましく、ｐ型不純物を１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度で含有することが好ましく、より好ましくは１×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有することが好ましい。ｐ型コンタクト層１６２におけるｐ型不純物濃度が上記範囲であると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ただし、ｐ型第１コンタクト層１６２１におけるｐ型不純物の濃度は、ｐ型第２コンタクト層１６２２におけるｐ型不純物の濃度よりも低くすることが好ましい。これは、透明導電層とのコンタクトを取る領域以外のｐ型半導体層１６０においてＭｇに起因する光吸収を抑えるためである。本実施の形態では、ｐ型第１コンタクト層１６２１およびｐ型第２コンタクト層１６２２にドープするドーパント材料としてＭｇを用いた。また、ｐ型第１コンタクト層１６２１におけるドーパント濃度は２．０×１０１９／ｃｍ3とし、ｐ型第２コンタクト層１６２２におけるドーパント濃度は１．８×１０２０／ｃｍ3とした。
ｐ型コンタクト層１６２の全体の膜厚は、特に限定されないが、１０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍである。ｐ型コンタクト層１６２の膜厚がこの範囲であると、半導体発光素子１における発光出力の低下が抑制される点で好ましい。本実施の形態では、ｐ型第１コンタクト層１６２１の厚さを１３５ｎｍとし、ｐ型第２コンタクト層１６２２の厚さを２５ｎｍとした。
＜ｐ側電極＞
ｐ側電極１７０は、複数種の金属層を積層して構成されている。本実施の形態のｐ側電極１７０は、所謂ボンディングパッドを兼ねており、外部に露出する面に図示しないボンディングワイヤが接続される。また、ｐ側電極１７０とｐ型コンタクト層１６２の間に透明導電層を形成することで、低いオーミック接触抵抗と電流拡散効果とによって、発光層１５０への均一な電流を供給できる電極構造とすることができるので、より好ましい。透明導電層の材料としては、低抵抗かつ緑色の光の透過率が高い、インジウム酸化物を含有するＩＴＯ、ＩＺＯが好ましい。
＜ｎ側電極＞
ｎ側電極１８０は、ｐ側電極１７０と同様に、複数種の金属層を積層して構成されている。本実施の形態のｎ側電極１８０は、所謂ボンディングパッドを兼ねており、外部に露出する面に図示しないボンディングワイヤが接続される。
（発光装置）
図３は、上述した半導体発光素子１を搭載した発光装置３０の構成の一例を示す図である。ここで、図３（ａ）は発光装置３０の上面図を示しており、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ断面図である。なお、図３に示す発光装置３０は、「発光チップ」、「発光ダイオード」、「ＬＥＤ」あるいは「ランプ」と呼ばれることもある。
この発光装置３０は、一方の側に凹部３１ａが形成された基部の一例としての筐体３１と、筐体３１に形成されたリードフレームからなるｐリード部３２およびｎリード部３３と、凹部３１ａの底面に取り付けられた半導体発光素子１と、凹部３１ａを覆うように設けられた封止部３４とを備えている。なお、図３（ａ）においては、封止部３４の記載を省略している。
基部の一例としての筐体３１は、第１配線の一例としてのｐリード部３２および第２配線の一例としてのｎリード部３３を含む金属リード部に、白色の熱可塑性樹脂を射出成型することによって形成されている。
ｐリード部３２およびｎリード部３３は、０．１〜０．５ｍｍ程度の厚みをもつ金属板であり、加工性、熱伝導性に優れた金属として例えば鉄／銅合金をベースとし、その上にめっき層としてニッケル、チタン、金、銀などを数μｍ積層して構成されている。そして、本実施の形態では、ｐリード部３２およびｎリード部３３の一部が、凹部３１ａの底面に露出するようになっている。また、ｐリード部３２およびｎリード部３３の一端部側は筐体３１の外側に露出し、且つ、筐体３１の外壁面から裏面側に折り曲げられている。
また、半導体発光素子１は、基板１１０（図１参照）を介して、凹部３１ａにおける底部の中央部に、接着等によって取り付けられている。さらに、ｐリード部３２と半導体発光素子１におけるｐ側電極１７０（図１参照）とが、図示しないボンディングワイヤによって電気的に接続されており、ｎリード部３３と半導体発光素子１におけるｎ側電極１８０（図１参照）とが、図示しないボンディングワイヤによって電気的に接続されている。
そして、封止部３４は、可視領域の波長において光透過率が高い透明樹脂にて構成される。封止部３４を構成する耐熱性、耐候性、及び機械的強度が高い特性を満たす樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂を用いることができる。
なお、本実施の形態の発光装置３０を組み込んだバックライト、信号機、携帯電話機、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、優れた発光特性を有する半導体発光素子１を備えたものとなる。特に、バックライト、携帯電話機、ディスプレイ、ゲーム機、照明などのバッテリ駆動させる電子機器において、優れた発光特性を有する半導体発光素子１を具備した優れた製品を提供することができ、好ましい。また、半導体発光素子１を備えた発光装置３０の構成は、図３に示すものに限られるわけではなく、例えば砲弾型と呼ばれるパッケージ構成を採用したものであってもよい。
では、図３に示す発光装置３０の発光動作について、図１〜図３を参照しつつ説明する。
発光装置３０に設けられたｐリード部３２およびｎリード部３３を介して、半導体発光素子１にｐ側電極１７０を高電位とし且つｎ側電極１８０を低電位とする電圧（順方向電圧ＶＦ）をかけると、半導体発光素子１では、ｐ側電極１７０からｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０を介してｎ側電極１８０に向かう電流（順方向電流ＩＦ）が流れ、発光層１５０から目標発光波長の光（緑色光）が出力される。
そして、発光層１５０から出力された光は、半導体発光素子１の外部に出力され、直接あるいは筐体３１の凹部３１ａに設けられた内壁面にて反射した後、封止部３４の上面から発光装置３０の外部に出力される。
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
本発明者は、発光層１５０における障壁層１５１（より具体的には第５障壁層１５１５）と、ｐ型半導体層１６０におけるｐ型クラッド層１６１とに関し、厚さや組成そして不純物濃度の関係を種々異ならせた半導体発光素子１の作製を行い、出力される発光スペクトルの半値幅（スペクトル半値幅）に関する評価を行った。なお、スペクトル半値幅は、半導体発光素子１から出力される発光スペクトルにおいて、最大発光強度の半分の強度をもつ２つの波長の差で表される（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）。
ここで、表１は、実施例１〜６に係る半導体発光素子１における各部の構造を示しており、表２は、比較例１〜６に係る半導体発光素子１における各部の構造を示している。そして、表１および表２には、各半導体発光素子１における基板１１０、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０（ｎ型コンタクト層１４１、ｎ型クラッド層１４２（ｎ型第１クラッド層１４２１およびｎ型第２クラッド層１４２２））、発光層１５０（障壁層１５１（第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５）、井戸層１５２（第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４））、ｐ型半導体層１６０（ｐ型クラッド層１６１およびｐ型コンタクト層１６２（ｐ型第１コンタクト層１６２１およびｐ型第２コンタクト層１６２２））、のそれぞれにおける構成および厚さを示している。また、ｐ型クラッド層１６１については、ＡｌＧａＮを構成するＡｌの濃度およびｐ型不純物であるＭｇの濃度も併せて示している。ただし、各実施例および各比較例のそれぞれにおいて、基板１１０、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０における井戸層１５２（第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４）、ｐ型半導体層１６０におけるｐ型コンタクト層１６２、ｐ側電極１７０およびｎ側電極１８０の構造は、共通なものとしている。また、上記実施の形態で説明した半導体発光素子１は、表１に示す実施例１に対応している。なお、この例では、基板１１０として、凹凸加工が施された加工基板を用い、且つ、積層半導体層１００を形成した後に基板１１０の裏面を研削加工し、基板１１０の厚さを１２０μｍとした。
以下に示す表１および表２においては、ＳｉあるいはＭｇがドープされていないＧａＮを『ｕｎ−ＧａＮ』と表記し、ＳｉがドープされたＧａＮを『Ｓｉ−ＧａＮ』と表記し、ＭｇがドープされたＧａＮを『Ｍｇ−ＧａＮ』と表記する。また、ＳｉあるいはＭｇがドープされていないＧａＩｎＮを『ＧａＩｎＮ』と表記し、ＳｉがドープされたＧａＩｎＮを『Ｓｉ−ＧａＩｎＮ』と表記する。さらに、ＳｉあるいはＭｇがドープされていないＡｌＮを『ＡｌＮ』と表記し、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮを『Ｍｇ−ＡｌＧａＮ』と表記する。
Figure 0005880383
Figure 0005880383
また、図４は、実施例１〜６に係る半導体発光素子１（表１参照）における、発光層１５０周辺の構造（厚さの関係）を模式的に示す図であり、図５は、比較例１〜６に係る半導体発光素子１（表２参照）における、発光層１５０周辺の構造（厚さの関係）を模式的に示す図である。
ここで、実施例１の半導体発光素子１では、５層構成の障壁層１５１において、第１障壁層１５１１がＳｉ−ＧａＮで構成され、第２障壁層１５１２〜第５障壁層１５１５がそれぞれｕｎ−ＧａＮで構成される。また、実施例１の半導体発光素子１では、５層構成の障壁層１５１において、第１障壁層１５１１〜第４障壁層１５１４の第１障壁厚さｔ１１〜第４障壁厚さｔ１４がそれぞれ第１の厚さ（１０．５ｎｍ）に設定され、第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５が第２の厚さ（８．０ｎｍ）に設定される。さらに、実施例１の半導体発光素子１では、４層構成の井戸層１５２において、第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４がそれぞれＧａＩｎＮで構成される。また、実施例１の半導体発光素子１では、４層構成の井戸層１５２において、第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４の第１井戸厚さｔ２１〜第４井戸厚さｔ２４がそれぞれ基準井戸厚さ（３．０ｎｍ）に設定される。そして、実施例１の半導体発光素子１では、ｐ型クラッド層１６１がＭｇ−ＡｌＧａＮで構成されるとともに、ｐ型クラッド厚さｔ３０が４．９ｎｍに設定される。さらにまた、実施の形態１の半導体発光素子１では、ｐ型クラッド層１６１において、ＡｌＧａＮにおけるＡｌ濃度が２．０ａｔｏｍ％に設定され、Ｍｇ濃度が１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定される。
これに対し、実施例２の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１におけるＭｇ濃度が、実施例１よりも高い３．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定されている点で、実施例１と相違する。
また、実施例３の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が実施例１よりも小さい２．５ｎｍに設定されている点で、実施例１と相違する。
さらに、実施例４の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１におけるＡｌ濃度が、実施例１よりも高い１０．０ａｔ％に設定されている点で、実施例１と相違する。
さらにまた、実施例５の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が実施例１よりも大きい８．０ｎｍに設定されている点で、実施例１と相違する。
そして、実施例６の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１におけるＭｇ濃度が、実施例１よりも低い３．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定されている点で、実施例１と相違する。
一方、比較例１の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、実施例５よりも大きい１０．０ｎｍに設定されている点で、実施例５と相違する。
また、比較例２の半導体発光素子１は、比較例１と同じく、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、実施例５よりも大きい１０．０ｎｍに設定されている点で、実施例５と相違する。それから、比較例２の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１におけるＡｌ濃度が、実施例４よりも高い１２．０ａｔ％に設定されている点で、実施例４と相違する。
さらに、比較例３の半導体発光素子１は、比較例１と同じく、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、実施例５よりも大きい１０．０ｎｍに設定されている点で、実施例５と相違する。それから、比較例３の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１におけるＭｇ濃度が、実施例２よりも高い４．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定されている点で、実施例２と相違する。
さらにまた、比較例４の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、比較例１よりも大きい１２．０ｎｍに設定されている点で、比較例１と相違する。
そして、比較例５の半導体発光素子１は、比較例４と同じく、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、比較例１よりも大きい１２．０ｎｍに設定されている点で、比較例１と相違する。それから、比較例５の半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層１６１におけるＭｇ濃度が、実施例６よりも低い２．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定されている点で、実施例６と相違する。
最後に、比較例６の半導体発光素子１は、比較例１と同じく、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０が、実施例５よりも大きい１０．０ｎｍに設定されている点で、実施例５と相違する。それから、比較例６の半導体発光素子１は、発光層１５０の障壁層１５１における第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５が、実施例１よりも大きい２１．０ｎｍに設定されている点で、実施例１と相違する。
ここで、実施例１〜６および比較例１〜６の各半導体発光素子１では、各半導体発光素子１から出力される光のドミナント発光波長ＷＤが５２５ｎｍとなるよう、製造時に、ＧａＩｎＮにおけるＧａおよびＩｎの組成比の調整を行い、ここではｙ＝０．１２とした。そして、得られた各半導体発光素子１に２０ｍＡの順方向電流ＩＦを供給し、そのときのスペクトル半値幅を測定した。
図６は、上述した、実施例１〜６および比較例１〜６に係る半導体発光素子１による、スペクトル半値幅の関係を示すグラフ図である。ここで、実施例１では２６．０ｎｍ、実施例２では２８．０ｎｍ、実施例３では２７．０ｎｍ、実施例４では２８．５ｎｍ、実施例５では２９．０ｎｍ、実施例６では２７．５ｎｍと、すべてにおいて３０ｎｍ未満となるスペクトル半値幅を得ることができた。これに対し、比較例１では３１．０ｎｍ、比較例２では３３．０ｎｍ、比較例３では３２．０ｎｍ、比較例４では３３．０ｎｍ、比較例５では３４．０ｎｍ、比較例６では３５．０ｎｍと、すべてにおいて３０ｎｍ以上となるスペクトル半値幅しか得ることができなかった。
上述した結果から、実施例１〜６のように、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０を、井戸層１５２を構成する第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４の第１井戸厚さｔ２１〜第４井戸厚さｔ２４の３倍以下とすることにより、比較例１〜６のように、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０を、井戸層１５２を構成する第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４の第１井戸厚さｔ２１〜第４井戸厚さｔ２４の３倍超とした場合と比較して、スペクトル半値幅の低減すなわち単色性の向上を図ることができる。
ここで、障壁層１５１における第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５をＧａＮで構成し且つ井戸層１５２における第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４をＧａＩｎＮで構成するとともに、ｐ型クラッド層１６１をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．１）によって構成することにより、より単色性の向上を図ることができる。
また、ｐ型クラッド層１６１におけるＭｇ濃度を３×１０１８〜３×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲とすることによっても、単色性の向上を図ることができる。
さらに、障壁層１５１における第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５を、井戸層１５２を構成する第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４の第１井戸厚さｔ２１〜第４井戸厚さｔ２４の４倍以下とすることによっても、単色性の向上を図ることができる。
さらにまた、障壁層１５１における第５障壁層１５１５の第５障壁厚さｔ１５を、第１障壁層１５１１〜第４障壁層１５１４の第１障壁厚さｔ１１〜第４障壁厚さｔ１４よりも小さくするとともに、ｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０を第５障壁厚さｔ１５よりも小さくすることによっても、単色性の向上を図ることができる。
そして、ｐ型クラッド層１６１におけるｐ型クラッド厚さｔ３０を２．０ｎｍ以上８．０ｎｍ以下、より好ましくは５．０ｎｍ以下とすることによって、さらに単色性の向上を図ることが可能になる。
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子１としては、紫外光を発光するもの、青色光を発光するもの、そして、緑色光を発光するもの等が知られている。ここで、ＧａＮのバンドギャップは室温で約３．３９ｅＶであり、ＧａＮを井戸層１５２に用いた場合には、３６５ｎｍ前後の発光波長（紫外光）を得ることができる。そして、より長波長の発光波長を得ようとする場合、井戸層１５２には、ＧａＮにさらにＩｎを加えたＧａＩｎＮが用いられる。したがって、青色光を得ようとする場合に比べて、より長波長側となる緑色光を得ようとする場合、ＧａＩｎＮにおけるＩｎの比率は増加し、井戸層１５２を構成する結晶の格子定数が大きくなる。
このとき、井戸層１５２とともに発光層１５０を構成する障壁層１５１としては、発光波長が青色光であるか緑色光であるかに関わらず、ＧａＮを用いることが多い。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて緑色光を出力する半導体発光素子１では、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて青色光を出力する半導体発光素子１に比べて、発光層１５０における障壁層１５１と井戸層１５２との組成差が大きくなる。これに伴い、障壁層１５１と井戸層１５２との格子不整合が大きくなる。また、障壁層１５１および井戸層１５２を含む発光層１５０の上に積層されるｐ型半導体層１６０（特にｐ型クラッド層１６１）にも、上述した格子不整合が結晶性に影響を及ぼしやすくなる。
これに対し、実施例１〜６では、障壁層１５１（第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５）および井戸層１５２（第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４）を含んで構成される発光層１５０の上に積層されるｐ型クラッド層１６１のｐ型クラッド厚さｔ３０を、上述した条件を満たす厚さにて積層することにより、発光層１５０（特にｐ型半導体層１６０に近い第５障壁層１５１５や第４井戸層１５２４等）およびｐ型半導体層１６０における歪みの低減に寄与していると考えられる。
なお、ここでは、発光層１５０において、障壁層１５１を５層構成（第１障壁層１５１１〜第５障壁層１５１５）とし、井戸層１５２を４層構成（第１井戸層１５２１〜第４井戸層１５２４）とする場合を例として説明を行ったが、これに限られるものではなく、障壁層１５１をｎ（ｎ≧５）層構成とし、井戸層１５２をｎ−１層構成とするものに適用することができる。
１…半導体発光素子、１１０…基板、１２０…中間層、１３０…下地層、１４０…ｎ型半導体層、１４１…ｎ型コンタクト層、１４２…ｎ型クラッド層、１４２１…ｎ型第１クラッド層、１４２２…ｎ型第２クラッド層、１５０…発光層、１５１…障壁層、１５１１…第１障壁層、１５１２…第２障壁層、１５１３…第３障壁層、１５１４…第４障壁層、１５１５…第５障壁層、１５２…井戸層、１５２１…第１井戸層、１５２２…第２井戸層、１５２３…第３井戸層、１５２４…第４井戸層、１６０…ｐ型半導体層、１６１…ｐ型クラッド層、１６２…ｐ型コンタクト層、１６２１…ｐ型第１コンタクト層、１６２２…ｐ型第２コンタクト層、１７０…ｐ側電極、１８０…ｎ側電極

Claims (7)

  1. ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、
    前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層とを含み、
    前記発光層は、
    ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、
    前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、
    前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、
    前記ｐ側障壁層の厚さが、前記ｎ側障壁層を含む残りの４層以上の障壁層の厚さよりも薄く、且つ、前記閉じ込め層の厚さが当該ｐ側障壁層よりも薄いこと
    を特徴とする半導体発光素子。
  2. ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、
    前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層とを含み、
    前記発光層は、
    ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、
    前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、
    前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、
    ５層以上の前記障壁層における前記ｐ側障壁層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの４倍以下であること
    を特徴とする半導体発光素子。
  3. ５層以上の前記障壁層がそれぞれＧａＮで構成されるとともに、４層以上の前記井戸層がそれぞれＧａＩｎＮで構成され、前記閉じ込め層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．１）で構成されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
  4. 前記閉じ込め層は、前記ｐ型不純物として３×１０１８〜３×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のＭｇを含むことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
  5. 前記閉じ込め層の厚さが２．０ｎｍ以上８．０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体発光素子。
  6. 第１配線および第２配線が形成された基部と、当該基部に取り付けられ且つ当該第１配線および当該第２配線と電気的に接続され、 当該第１配線および当該第２配線を介した通電により発光する半導体発光素子とを備え、
    前記半導体発光素子は、
    ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、
    前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層と、
    前記ｐ型半導体層と前記第１配線とを電気的に接続するためのｐ側電極と、
    前記ｎ型半導体層と前記第２配線とを電気的に接続するためのｎ側電極と
    を含み、
    前記発光層は、
    ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、
    前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、
    前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、
    前記ｐ側障壁層の厚さが、前記ｎ側障壁層を含む残りの４層以上の障壁層の厚さよりも薄く、且つ、前記閉じ込め層の厚さが当該ｐ側障壁層よりも薄いこと
    を特徴とする発光装置。
  7. 第１配線および第２配線が形成された基部と、当該基部に取り付けられ且つ当該第１配線および当該第２配線と電気的に接続され、 当該第１配線および当該第２配線を介した通電により発光する半導体発光素子とを備え、
    前記半導体発光素子は、
    ｎ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるとともに通電により５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の波長の光を発する発光層と、
    前記発光層に積層されるとともに当該発光層におけるキャリアの閉じ込めに用いられる閉じ込め層を有し、ｐ型不純物がドープされたＩＩＩ族窒化物半導体で構成されるｐ型半導体層と、
    前記ｐ型半導体層と前記第１配線とを電気的に接続するためのｐ側電極と、
    前記ｎ型半導体層と前記第２配線とを電気的に接続するためのｎ側電極と
    を含み、
    前記発光層は、
    ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された４層以上の井戸層と、
    前記井戸層よりもバンドギャップが大きいＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、４層以上の当該井戸層のそれぞれを両側から挟み込むとともに、前記ｎ型半導体層に接続されるｎ側障壁層と前記ｐ型半導体層との境界部にて当該ｐ型半導体層に接続されるｐ側障壁層とを含む５層以上の障壁層とを備え、
    前記閉じ込め層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの３倍以下であり、
    ５層以上の前記障壁層における前記ｐ側障壁層の厚さが、４層以上の前記井戸層のそれぞれの厚さの４倍以下であること
    を特徴とする発光装置。
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