JP7319559B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本開示に係る発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

従来から、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層を備えた窒化物発光素子が知られている。特に、特許文献１～３には、複数の井戸層の膜厚が互いに異なる層構造が開示されている。また、特許文献４（特に、段落［００７８］）には、ｐ型窒化物半導体層の成長時の熱拡散により、多重量子井戸発光層の全ての障壁層にｐ型不純物がドープされる可能性がある点について記載されている。

特開２０１７－０３７８７３号公報 特開２０１４－１６５４９８号公報 特開２００８－１０３７１１号公報 国際公開第２０１４／０６１６９２号

上述の窒化物発光素子の発光効率は、十分とは言い難く、発光効率の更なる向上が求められている。そこで、本開示は、さらなる発光効率の向上を図った窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本開示に係る窒化物半導体発光素子は、
ｎ側窒化物半導体層と、ｐ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体層とｐ側窒化物半導体層との間に設けられ、井戸層と障壁層とからなる複数の積層部を含む活性層と、を含み、
複数の前記井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、第１井戸層と、第２井戸層と、複数の前記井戸層のうち最も前記ｐ側窒化物半導体層の近くに位置する第３井戸層と、を含み、
前記第２井戸層の膜厚は、前記第１井戸層の膜厚よりも厚く、
前記第３井戸層の膜厚は、前記第２井戸層の膜厚よりも厚く、
複数の前記障壁層のうち前記第３井戸層と前記ｐ側窒化物半導体層との間に位置する第１障壁層には、ｐ型不純物がドープされている。

以上のように構成された本開示に係る窒化物半導体発光素子によれば、発光効率の向上を図ることができる。

本開示に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本開示に係る第１実施形態の窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示す模式図である。 本開示に係る第２実施形態の窒化物半導体発光素子の活性層の構成を示す模式図である。

一般に、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層を含む半導体発光素子は、複数の井戸層全体を効率よく発光させることにより発光効率を高くできると考えられている。しかしながら、電子はｎ側窒化物半導体層から供給され、ホールはｐ側窒化物半導体層から供給されることから、複数の井戸層全てに偏りなく電子またはホールを供給することは必ずしも容易ではない。特に、窒化物半導体層を含む窒化物半導体発光素子においては、ｐ側窒化物半導体層から活性層に含まれる全ての井戸層にホールを効率よく供給することは容易ではなく、ｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層にホールの供給が偏りやすい傾向がある。これにより、特に、窒化物半導体発光素子においては、ｎ側窒化物半導体層側に位置する井戸層にホールが供給されにくく、ｎ側窒化物半導体層側に位置する井戸層の発光効率を高くすることが難しいという課題がある。

本開示に係る発明は、上記知見に基づき鋭意検討した結果なされたものであり、活性層に含まれる全ての井戸層を発光させようとするのではなく、活性層全体として発光効率を高めようとする発明である。

具体的には、複数の井戸層のうち、ｎ側窒化物半導体層側に位置する第１井戸層は、ホールが供給されにくく発光にほとんど寄与しないことから、第１井戸層での発光は抑えてｐ側窒化物半導体層側の井戸層により多くの電子を供給させられるようにすることが好ましい。このことから、第１井戸層の膜厚をｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層の膜厚より薄くすることで、第１井戸層よりもｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層に電子が供給されやすくしている。このように、第１井戸層は、第１井戸層よりもｐ側窒化物半導体層側の井戸層を効率よく発光させることに寄与し、結果として、順方向電圧の低い窒化物半導体発光素子の提供を可能としている。

また、最もｐ側窒化物半導体層側に位置する第３井戸層は、ｐ側窒化物半導体層からホールが供給されやすく、第１井戸層を介して供給された電子とｐ側窒化物半導体層から供給されるホールとが再結合され、複数の井戸層のうち主に発光に寄与する井戸層である。そのため、第３井戸層においてより効率よく発光再結合が行われるように、第３井戸層の膜厚を第１井戸層を含む他の井戸層の膜厚より厚くしている。

第２井戸層は、第１井戸層よりも厚く、第３井戸層よりも薄い膜厚で構成されており、発光に寄与するとともに結晶性の悪化を低減するための層である。第２井戸層を設けることなく、第２井戸層よりも薄い第１井戸層の膜厚から第２井戸層よりも厚い第３井戸層に膜厚に変化させて井戸層を成長させると井戸層の結晶性が悪化する傾向がある。この発明者の知見に基づき、第１井戸層と第３井戸層の間に、第１井戸層よりも厚く、第３井戸層よりも薄い膜厚の第２井戸層を設けることで第３井戸層の結晶性の悪化を低減することができる。

また、複数の障壁層のうち第３井戸層とｐ側窒化物半導体層との間に位置する第１障壁層は、第３井戸層または第２井戸層に効率よくホールを注入するためにp型不純物がドープされている。

以上のように構成された窒化物半導体発光素子は、上述したように、活性層に含まれる第１井戸層、第２井戸層、及び第３井戸層の膜厚を異ならせ、かつ複数の障壁層のうち第３井戸層とｐ側窒化物半導体層との間に位置する第１障壁層にｐ型不純物をドープすることで、発光効率を向上させることができる。

以下、より具体的な形態について詳細に説明する。なお、後述する本実施形態の窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体としては、III－V族窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１））が挙げられる。なお、III族元素の一部にＢを用いてよく、V族元素のＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂで置換した混晶であってもよい。これらの窒化物半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により形成することができる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子として、活性層にＩｎを比較的多く含む井戸層を備えた発光ピーク波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体発光素子を例示して説明する。例えば、Ｉｎ_ａＧａ_１－ａＮで構成され、Ｉｎ組成比ａが２０～２８である井戸層を含み、緑色に発光する窒化物半導体発光素子である。なお、発光ピーク波長は、上記波長に限定されるものではない。また、本明細書において、数字を用いてＡ～Ｂと記載するときは、数がＡである場合と数がＢである場合とを含むものとする。また、本明細書において、アンドープの半導体層とは、導電性を制御するための不純物を意図的にドープするための原料ガス（例えばＳｉやＭｇを含むガス）を用いることなく形成された層であり、プロセス上不可避的に混入される不純物を含む場合もある。アンドープの半導体層のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以下である。

＜＜第１実施形態＞＞
以下、図１および図２を参照しながら本開示に係る第１実施形態の窒化物半導体発光素子について説明する。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、基板１と、基板１上に設けられたｎ側窒化物半導体層１０と、ｐ側窒化物半導体層２０と、ｎ側窒化物半導体層１０とｐ側窒化物半導体層２０との間に位置する活性層５と、を含む。最初に本開示の窒化物半導体発光素子における活性層５について説明し、その後、基板１、ｎ側窒化物半導体層１０およびｐ側窒化物半導体層２０の順に詳述する。

（活性層５）
活性層５は、井戸層と障壁層とを含む複数の積層部５ｂｗを含んでいる。図２の形態では、ｎ側窒化物半導体層１０側から順に、障壁層と、井戸層とが積層された積層部５ｂｗを３つ備えた積層構造を例示している。

井戸層は、一例として、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いてよく、Ｉｎ組成比を適宜設定することにより、青色や緑色の発光が可能である。例えば、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１－Ｘ－Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた場合、Ｉｎ組成比ｘを所望の値とすることにより、窒化物半導体発光素子の発光ピーク波長が４３０ｎｍ～５７０ｎｍの範囲、好ましくは５００ｎｍ～５７０ｎｍの範囲とすることができる。

図２に示すように、活性層５における井戸層は、ｎ側窒化物半導体層１０側から順に、第１井戸層５ｗ１と、第２井戸層５ｗ２と、複数の井戸層のうち最もｐ側窒化物半導体層２０の近くに位置する第３井戸層５ｗ３と、を含んでいる。なお、第１井戸層５ｗ１、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３に用いるＩｎＧａＮの分解を低減するため、各井戸層の上に第１中間層５ｃを積層してもよい。第１中間層５ｃには、例えば、アンドープのＧａＮ層を用いることができる。

第１井戸層５ｗ１の膜厚は、上述したように、第１井戸層５ｗ１よりもｐ側窒化物半導体層２０側に位置する井戸層より薄くしている。このような構成とすることで、ｐ側窒化物半導体層２０側の井戸層により多くの電子を供給することができ、順方向電圧の低い窒化物半導体発光素子の提供を可能としている。第１井戸層５ｗ１の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ～４．０ｎｍの範囲、好ましくは、１．０ｎｍ～２．５ｎｍの範囲、より好ましくは、１．２ｎｍ～１．９ｎｍの範囲とすることができる。第１井戸層５ｗ１の膜厚は、他の井戸層、具体的には、第２井戸層５ｗ２及び第３井戸層５ｗ３との関係を考慮して設定される。

第２井戸層５ｗ２は、第１井戸層５ｗ１よりも厚く、第３井戸層５ｗ３よりも薄い膜厚で構成されており、発光に寄与するとともに結晶性の悪化を低減するための層である。第２井戸層５ｗ２の膜厚は、例えば、１．５ｎｍ～５．０ｎｍの範囲、好ましくは、２．０ｎｍ～３．５ｎｍの範囲、より好ましくは、２．５ｎｍ～３．２ｎｍの範囲とすることができる。第２井戸層５ｗ２の膜厚は、他の井戸層、具体的には、第１井戸層５ｗ１及び第３井戸層５ｗ３との関係を考慮して設定される。

第３井戸層５ｗ３は、ｐ側窒化物半導体層２０からホールが供給されやすく、複数の井戸層のうち主に発光に寄与する井戸層である。そのため、第３井戸層５ｗ３において効率よく発光再結合が行われるように、第３井戸層５ｗ３の膜厚を第１井戸層５ｗ１を含む他の井戸層より厚くしている。第３井戸層５ｗ３の膜厚は、例えば、２．０ｎｍ～５．５ｎｍの範囲、好ましくは、２．５ｎｍ～４．０ｎｍの範囲、より好ましくは、２．８ｎｍ～３．５ｎｍの範囲とすることができる。第３井戸層５ｗ３の膜厚は、他の井戸層、具体的には、第１井戸層５ｗ１及び第２井戸層５ｗ２との関係を考慮して設定される。

各井戸層の膜厚の一例として、第１井戸層５ｗ１の膜厚を１．５ｎｍ、第２井戸層５ｗ２の膜厚を２．８ｎｍ、第３井戸層５ｗ３の膜厚を３．２ｎｍとしてよい。このような層構造とすることにより、発光にほとんど寄与しない第１井戸層５ｗ１における電子の閉じ込め効果を低減し、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３に電子およびホールを供給させやすくすることができる。したがって、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。さらに、第１井戸層５ｗ１と第３井戸層５ｗ３との間に第２井戸層５ｗ２を設けることで、第１井戸層５ｗ１の膜厚と第３井戸層５ｗ３の膜厚の差を小さくし、第３井戸層５ｗ３の結晶性の悪化を抑えることができる。

活性層５における障壁層は、井戸層にキャリアを閉じ込めるような材料によって形成される。例えば、障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮ等により形成することができる。

障壁層は、最もｐ側窒化物半導体層２０側に位置する第１障壁層５ｂ１と、最もｎ側窒化物半導体層１０の近くに位置する第２障壁層５ｂ２と、第１障壁層５ｂ１と第２障壁層５ｂ２との間に位置する第３障壁層５ｂ３と、を含んでいる。

第１障壁層５ｂ１は、ｐ側窒化物半導体層２０と第３井戸層５ｗ３との間に位置している。第１障壁層５ｂ１は、第３井戸層５ｗ３または第２井戸層５ｗ２に効率よくホールを注入するためにｐ型不純物がドープされている。ｐ型不純物は、Ｍｇ等であってよい。第１障壁層５ｂ１の膜厚は、例えば、３ｎｍ～３０ｎｍの範囲、好ましくは、８ｎｍ～１８ｎｍの範囲、より好ましくは、１２ｎｍ～１４ｎｍの範囲に設定されてよい。第１障壁層５ｂ１の膜厚を３ｎｍ以上とすることで、キャリアの注入効率の悪化を低減することができる。第１障壁層５ｂ１の膜厚を３０ｎｍ以下とすることで、第１障壁層５ｂ１の結晶性を向上させることができる。

第２障壁層５ｂ２および第３障壁層５ｂ３は、順方向電圧を下げるために、ｎ型不純物がドープされてもよい。例えば、第１障壁層５ｂ１にはｐ型不純物がドープされ、第２障壁層５ｂ２および第３障壁層５ｂ３にはｎ型不純物がドープされていてもよい。ｎ型不純物をドープする場合、第３障壁層５ｂ３のｎ型不純物濃度は、第２障壁層５ｂ２のｎ型不純物濃度より低くすることが好ましい。なお、ｎ型不純物は、Ｓｉ等であってよい。第２障壁層５ｂ２の膜厚は、例えば、２ｎｍ～１５ｎｍの範囲、好ましくは、５ｎｍ～１２ｎｍの範囲、より好ましくは、６ｎｍ～９ｎｍの範囲に設定されてよい。第３障壁層５ｂ３の膜厚は、例えば、５ｎｍ～３０ｎｍの範囲、好ましくは、６ｎｍ～２５ｎｍの範囲、より好ましくは、８ｎｍ～１８ｎｍの範囲に設定されてよい。第２障壁層５ｂ２の膜厚を２ｎｍ以上とすることで、キャリアが不足することを低減できる。第２障壁層５ｂ２の膜厚を１５ｎｍ以下とすることで、ｎ型不純物が増加することによる結晶性の悪化を低減することができる。第３障壁層５ｂ３の膜厚を５ｎｍ以上とすることで、第３障壁層５ｂ３の結晶性を向上させることができる。第３障壁層５ｂ３の膜厚を３０ｎｍ以下とすることで、第３障壁層５ｂ３の膜厚を厚くすることによる活性層５内におけるキャリアの分布の悪化を低減することができる。

第３障壁層５ｂ３は、ｎ型不純物濃度の異なる２つの半導体層を含んでいてもよい。例えば、ｎ側窒化物半導体層１０側に位置する第１ｎ型不純物濃度の半導体層と、p側窒化物半導体層２０側に位置する第１ｎ型不純物濃度よりも低い第２ｎ型不純物濃度の半導体層と、を含んでいてもよい。

また、第２障壁層５ｂ２および第３障壁層５ｂ３について、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３に効率よくキャリアを供給するために、第２障壁層５ｂ２のｎ型不純物濃度を第３障壁層５ｂ３のｎ型不純物濃度よりも高くしてよい。これにより、第３障壁層５ｂ３により多くの電子を供給することができる。第２障壁層５ｂ２のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３～３×１０^１９／ｃｍ^３の範囲、好ましくは、２×１０^１７／ｃｍ^３～１×１０^１９／ｃｍ^３の範囲、より好ましくは、３×１０^１７／ｃｍ^３～８×１０^１８／ｃｍ^３の範囲に設定されてよい。第３障壁層５ｂ３のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３～１×１０^１９／ｃｍ^３の範囲、好ましくは、２×１０^１７／ｃｍ^３～５×１０^１８／ｃｍ^３の範囲、より好ましくは、３×１０^１７／ｃｍ^３～２×１０^１８／ｃｍ^３の範囲に設定されてよい。

以上のように構成された窒化物半導体発光素子は、井戸層にそれぞれ異なる機能を持たせかつ最もｐ側窒化物半導体層２０側に位置する第１障壁層５ｂ１にｐ型不純物をドープすることで、発光効率を向上させることができる。

次に、本開示の実施形態における活性層の構成について、以下により詳細に説明する。

井戸層のより好ましい態様として、第１井戸層５ｗ１、第２井戸層５ｗ２、及び第３井戸層５ｗ３はＩｎを含み、第１井戸層５ｗ１のＩｎ組成比と、第２井戸層５ｗ２のＩｎ組成比と、第３井戸層５ｗ３のＩｎ組成比を等しくしてよい。このようにＩｎ組成比を等しくすることによって井戸層へのキャリアの供給効率を向上させることができる。例えば、Ｉｎ組成比を各井戸層とも２０％～２８％と比較的高くすることにより、井戸層から緑色の光を発光させることができる。ここで、Ｉｎ組成比が等しいとは、１つの井戸層のＩｎ組成比と他の井戸層のＩｎ組成比とが±１％の範囲で異なる場合を含む。

また、井戸層のより好ましい態様として、第２井戸層５ｗ２から発光される光の発光ピーク波長と、第３井戸層５ｗ３から発光される光の発光ピーク波長とを等しくしてもよい。各井戸層の発光ピーク波長を等しくすることにより、同じ波長ピーク波長の光をより多く発光させることができる。例えば、窒化物半導体発光素子１００の発光ピーク波長は１つとしてよい。ここで、発光ピーク波長が等しいとは、１つの井戸層から発光される光の発光ピーク波長と他の井戸層から発光される光の発光ピーク波長とが±３％の範囲で異なる場合を含む。

障壁層のより好ましい態様として、第１障壁層５ｂ１と、第３井戸層５ｗ３との間には、アンドープの半導体層からなる第２中間層５ｉを設けてよい。このように、ｐ型不純物がドープされた第１障壁層５ｂ１と第３井戸層５ｗ３との間に第２中間層５ｉを介在させることにより、第１障壁層５ｂ１に含まれるｐ型不純物が第２井戸層５ｗ２及び第３井戸層５ｗ３に拡散することによる信頼性の悪化を低減することができる。信頼性の悪化を低減することで、例えば、時間経過により窒化物半導体発光素子１００の出力が低下することを低減することができる。

障壁層のより好ましい態様として、第３井戸層５ｗ３の膜厚は、第１井戸層５ｗ１の膜厚の２倍以上としてよい。このように膜厚を設定することにより、第３井戸層５ｗ３の体積が増加するため、第３井戸層５ｗ３における電子とホールの発光再結合確率が向上し、発光効率を向上させることができる。

本実施形態のより好ましい態様として、第１障壁層５ｂ１のｐ型不純物濃度は、ｐ型障壁層６のｐ型不純物濃度よりも低くしてよい。本実施形態では、第１障壁層５ｂ１のｐ型不純物濃度は、１×１０^２０／ｃｍ^３であるのに対し、ｐ型障壁層６のｐ型不純物濃度は、第１障壁層５ｂ１のｐ型不純物濃度の２倍～３倍程度に設定している。このようにｐ型不純物濃度を設定することにより、ｐ型不純物濃度を高くすることによる結晶性の悪化を低減しつつ、第１障壁層５ｂ１から第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３にホールを供給することができ、発光効率を向上させることができる。

次に、本開示の窒化物半導体発光素子における活性層５以外の構成について説明する。

（基板１）
基板１（図１参照）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やスピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板を用いることができる。中でも、窒化物半導体発光素子１００に窒化物半導体を用いる場合、Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。また、基板１として、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどを用いても良い。基板１は、最終的に備えなくてもよい。

（ｎ側窒化物半導体層１０）
図１に示すように、ｎ側窒化物半導体層１０は、基板１側から順に、下地層２と、ｎ側コンタクト層３と、ｎ側超格子層４と、を含んでいる。ｎ側窒化物半導体層１０は、ｎ型不純物を含む少なくとも１つのｎ型半導体層を含んでいる。ｎ型不純物には、例えば、ＳｉやＧｅなどを用いることができる。

下地層２は、基板１とｎ側コンタクト層３との間に設けられている。下地層２を設けることで、下地層２の上面に結晶性の高いｎ側コンタクト層３を形成することができる。下地層２は、例えば、ＡｌＧａＮやＧａＮであってもよい。なお、下地層２と基板１の間にバッファ層を形成してもよい。バッファ層は、基板１と下地層２との間の格子不整合を低減させるための層であり、例えば、アンドープのＡｌＧａＮやＧａＮを用いることができる。

ｎ側コンタクト層３は、下地層２の上面に設けられ、少なくとも一部にｎ型不純物を含有している。図１に示すように、ｎ側コンタクト層３の上面にｎ電極８が形成されている。ｎ側コンタクト層３は、ｎ電極８から活性層５に向かって電子を供給するために、比較的高い濃度のｎ型不純物がドープされていることが好ましい。ｎ側コンタクト層３のｎ型不純物濃度は、例えば、６×１０^１９／ｃｍ^３～１×１０^１９／ｃｍ^３とすることができる。ｎ側コンタクト層３は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、またはＩｎＧａＮにより構成されることが好ましい。ｎ側コンタクト層３は積層構造としてもよく、例えば、アンドープのＧａＮと、ｎ型不純物がドープされたＧａＮとを交互に積層させてよい。ｎ側コンタクト層３の膜厚は、例えば、５μｍ～２０μｍであってよい。

ｎ側超格子層４は、ｎ側コンタクト層３の上面に設けられている。ｎ側超格子層４を設けることで、ｎ側コンタクト層３と活性層５との間の格子緩和を低減し、活性層５の結晶性を良好にすることができる。ｎ側超格子層４は、格子定数の異なる半導体層が交互に積層された構造を有している。ｎ側超格子層４は、例えば、１つのアンドープのＩｎＧａＮ層と１つのアンドープのＧａＮ層とを含む単一ペアをｎペア含む。ｎ側超格子層４のペア数ｎは、例えば、１０個～４０個の範囲、好ましくは、１５個～３５個の範囲、さらに好ましくは、２５個～３５個の範囲に設定されてよい。

（ｐ側窒化物半導体層２０）
図１に示すように、ｐ側窒化物半導体層２０は、活性層５側から順に、ｐ型障壁層６と、ｐ側コンタクト層７を含んでいる。ｐ側窒化物半導体層２０は、ｐ型不純物を含む少なくとも１つのｐ型半導体層を含んでいる。ｐ型不純物には、例えば、Ｍｇなどを用いることができる。

ｐ型障壁層６は、ｐ側窒化物半導体層２０のうち最も活性層５の近くに位置している。ｐ型障壁層６は、電子を閉じ込めるために設けられる層であり、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むＧａＮ、ＡｌＧａＮ等により構成されてよい。ｐ型障壁層６のバンドギャップエネルギーは、活性層５における第１障壁層５ｂ１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。ｐ型障壁層６の膜厚の一例として、例えば、１０ｎｍ～５０ｎｍとすることができる。ｐ型障壁層６のｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０^２０／ｃｍ^３～６×１０^２０／ｃｍ^３とすることができる。

ｐ側コンタクト層７は、上面にｐ電極９が形成される層である。ｐ側コンタクト層７は、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むＧａＮ、ＡｌＧａＮ等により構成されてよい。ｐ側コンタクト層７の膜厚の一例として、例えば、１０ｎｍ～１５０ｎｍの厚さとされてよい。

以上説明したとおり、本実施形態の窒化物半導体発光素子１００によれば、活性層に含まれる第１井戸層５ｗ１、第２井戸層５ｗ２、及び第３井戸層５ｗ３の膜厚を異ならせている。そして、第１障壁層５ｂ１にｐ型不純物をドープすることで、活性層５に含まれる複数の井戸層のうち、最もｐ側窒化物半導体層２０の近くに位置する第３井戸層５ｗ３へのホールの供給効率を向上し、発光効率の向上を図ることができる。

＜＜第２実施形態＞＞
次に、本開示の第２実施形態について図３を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については説明を省略する。前述の第１実施形態では、第１井戸層５ｗ１、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３をそれぞれ１つとした実施形態を説明したが、第２実施形態では、第１井戸層５ｗ１および第２井戸層５ｗ２を複数、第３井戸層５ｗ３を１つとした形態を例示して説明する。

第２実施形態の活性層５は、例えば、図３に示すとおり、第１井戸層５ｗ１が２つ、第２井戸層５ｗ２が３つ、第３井戸層５ｗ３が１つ、として構成されてよい。第１実施形態の説明でも言及したとおり、第１井戸層５ｗ１は、ホールが供給されにくく、ほとんど発光に寄与しない層であり、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３は、発光に寄与する層である。なお、第２実施形態においても第１実施形態で説明したとおり、第１井戸層５ｗ１の膜厚を第２井戸層５ｗ２よりも薄くし、第２井戸層５ｗ２の膜厚は、第１井戸層５ｗ１の膜厚よりも厚くし、第３井戸層５ｗ３の膜厚は、第２井戸層５ｗ２の膜厚よりも厚くしている。膜厚の一例として、第１井戸層５ｗ１の膜厚を１．５ｎｍ、第２井戸層５ｗ２の膜厚を２．８ｎｍ、第３井戸層５ｗ３の膜厚を３．２ｎｍとしてよい。

本実施形態では、活性層５は、複数の第１井戸層５ｗ１と、複数の第２井戸層５ｗ２を含んでいる。複数の第１井戸層５ｗ１を設けることで、より高い結晶性の第２井戸層５ｗ２を形成することができる。また、発光に寄与する層である第２井戸層５ｗ２を複数設けることで発光効率をさらに向上させることができる。

さらに、井戸層の好適な態様として、第２井戸層５ｗ２の数は、第１井戸層５ｗ１の数よりも多くしてよい。一例として、図３では、第２井戸層５ｗ２の数が３つ、第１井戸層５ｗ１の数が２つである態様を示している。なお、第２井戸層５ｗ２および第１井戸層５ｗ１の数は、この数に限定されるものではなく、例えば、第２井戸層５ｗ２の数を７つ、第１井戸層５ｗ１の数を５つとしてもよい。第２井戸層５ｗ２の数を、第１井戸層５ｗ１の数よりも多くすることにより、第１井戸層５ｗ１へのホールの供給を抑え、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３により多くのホールを供給させることができるため発光効率を向上させることができる。

さらに、井戸層の好適な態様として、第３井戸層５ｗ３の数は、１つとしてよい。第３井戸層５ｗ３は、他の井戸層と比較して膜厚が厚く、また、ｐ型障壁層６と近接しているため、より多くのホールが供給される。したがって、窒化物半導体発光素子１００の発光効率を向上させることができる。また、第３井戸層５ｗ３を複数設ける場合に比べて、結晶性の悪化を低減することができる。

本開示に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ側窒化物半導体層形成工程と、活性層形成工程と、ｐ側窒化物半導体層形成工程と、電極形成工程とを備えている。ｎ側窒化物半導体層形成工程は、下地層形成工程と、ｎ側コンタクト層形成工程と、ｎ側超格子層形成工程とを備えている。ｐ側窒化物半導体層形成工程は、ｐ型障壁層形成工程と、ｐ側コンタクト層形成工程とを備えている。以下、本開示に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の工程の順番に沿って説明する。

（下地層形成工程）
まず、例えば、サファイアからなる基板１のＣ面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により下地層２を形成する。下地層２を形成する前に基板１の上にバッファ層を形成し、バッファ層を介して下地層２を形成してもよい。ここで、バッファ層は、例えば、成長温度を６００℃以下とし、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニア等を用いて、基板１上にＡｌＧａＮを成長させることにより形成する。また、下地層２は、例えば、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、バッファ層の上にＧａＮ層を成長させることにより形成する。

（ｎ側コンタクト層形成工程）
ｎ側コンタクト層形成工程において、ｎ側コンタクト層３を、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層を積層させることにより形成する。ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層を成長させる場合は、原料ガスとして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、ｎ型不純物ガスとしてモノシランを用いる。ｎ側コンタクト層３の成長温度は、例えば、１１５０℃としてよい。

（ｎ側超格子層形成工程）
ｎ側超格子層形成工程において、アンドープのＧａＮ層とアンドープのＩｎＧａＮ層とを交互に積層させることによりｎ側超格子層４を形成する。ｎ側超格子層４の成長温度は、ｎ側コンタクト層３の成長温度よりも低くすることが好ましく、例えば、成長温度を９１０℃程度にすることができる。アンドープのＧａＮ層を成長させる場合は、原料ガスとして、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、アンモニア等を用いる。また、アンドープのＩｎＧａＮ層を成長させる場合は、原料ガスとして、ＴＥＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア等を用いる。なお、アンドープのＧａＮ層を成長させるときに、キャリアガスとしてＨ_２を含むガスを用いてもよい。このようなガスをキャリアガスとして用いることでＧａＮ層の表面のＶピットを低減することができる。ここで、Ｖピットとは、半導体層に形成される転位に起因して半導体層の表面に生じる凹状のピットである。

（活性層形成工程）
活性層形成工程は、障壁層形成工程と、井戸層形成工程とを含んでいる。障壁層形成工程において、原料ガスにＴＥＧ、アンモニアを用い、例えば、成長温度を９５０℃にしてＧａＮを成長させることにより障壁層を形成する。また、井戸層形成工程において、原料ガスとして、ＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニア等を用い、例えば、成長温度を８００℃にしてＩｎＧａＮを成長させることにより井戸層を形成する。障壁層形成工程と井戸層形成工程とを交互に複数回行うことで複数の障壁層と複数の井戸層を含む活性層を形成する。なお、井戸層に用いるＩｎＧａＮの分解を低減するため、井戸層の上面に第１中間層５ｃを積層させた後、第１中間層５ｃの上面に障壁層を形成してもよい。第１中間層５ｃは、原料ガスにＴＥＧ、アンモニアを用いてアンドープのＧａＮ層を成長させてよい。

本実施形態では、図２または図３に示すとおり、第２障壁層５ｂ２および第１井戸層５ｗ１からなる積層部５ｂｗ、第３障壁層５ｂ３および第１井戸層５ｗ１からなる積層部５ｂｗ、第３障壁層５ｂ３および第２井戸層５ｗ２からなる積層部５ｂｗ、第３障壁層５ｂ３および第２井戸層５ｗ２からなる積層部５ｂｗ、第３障壁層５ｂ３および第２井戸層５ｗ２からなる積層部５ｂｗ、第３障壁層５ｂ３および第３井戸層５ｗ３からなる積層部５ｂｗ、を成長させる。すなわち、第１井戸層５ｗ１を２つ、第２井戸層５ｗ２を３つ、第３井戸層５ｗ３を１つ成長させる。そして、第１井戸層５ｗ１の膜厚、第２井戸層５ｗ２の膜厚、第３井戸層５ｗ３の膜厚の順番で厚くなるように形成する。

より好ましい形態として、第３障壁層５ｂ３を成長させるときは、ｎ型不純物ガスとしてモノシランを用いて、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ層を成長してよい。

さらに、第３井戸層５ｗ３の上面に、ｐ型不純物が井戸層側に拡散して信頼性が悪化することを低減するため、第２中間層５ｉとしてアンドープのＧａＮ層を成長してよい。そして、第２中間層５ｉの上面に、第２井戸層５ｗ２および第３井戸層５ｗ３へのホールの供給効率を上げるため、第１障壁層５ｂ１として、ｐ型不純物がドープされたＧａＮ層を成長してよい。ｐ型不純物ガスとして、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いてよい。Ｍｇの不純物濃度は、ｐ型障壁層６のｐ型不純物濃度の１／２～１／３程度であることが好ましい。なお、Ｍｇの不純物濃度の制御は、不純物ガスの流量等を制御することにより行われて良い。

（ｐ型障壁層形成工程）
ｐ型障壁層形成工程では、例えば、原料ガスとしてＴＥＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、ｐ型不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ｐ型障壁層６をｐ型不純物を含むＡｌＧａＮ層により形成する。

（ｐ側コンタクト層形成工程）
ｐ側コンタクト層形成工程では、例えば、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用いて、アンドープのＧａＮからなる層を成長させる。その後、このアンドープのＧａＮからなる層上に原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、ｐ型不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ｐ型不純物を含むＧａＮ層を成長させることにより、ｐ側コンタクト層７を形成する。ｐ側コンタクト層７の不純物濃度は、ｐ型障壁層６よりも高くすることが好ましい。

上記工程により各半導体層を成長させた後、窒素雰囲気中、ウェハを反応容器内において、例えば、７００℃程度の温度でアニーリングを行う。

（電極形成工程）
アニーリング後、ｐ側窒化物半導体層２０の一部、活性層５、ｎ側窒化物半導体層１０の一部を除去して、ｎ側コンタクト層３の表面の一部を露出させる。

その後、ｐ側コンタクト層７の表面の一部にｐ電極９を形成し、露出されたｎ側コンタクト層３の表面の一部にｎ電極８を形成する。以上のような工程を経て、窒化物半導体発光素子１００は作製される。

以上説明したとおり、本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、活性層に含まれる第１井戸層５ｗ１、第２井戸層５ｗ２、及び第３井戸層５ｗ３の膜厚を異ならせ、かつ第１障壁層５ｂ１にｐ型不純物をドープすることで、発光効率の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を製造することができる。

本開示の好適な一実施例を示す窒化物半導体発光素子について説明する。基板１として、サファイア基板を用いた。

基板１の上面にアンドープのＡｌＧａＮ層からなるバッファ層を形成した。そのバッファ層上に、ＧａＮを含む下地層２を形成した。

次に、下地層２の上面にｎ側コンタクト層３を形成した。ｎ側コンタクト層３は、ｎ型不純物としてＳｉがドープされたＧａＮ層である。ｎ側コンタクト層３の膜厚は、約８μｍとした。

次に、ｎ側コンタクト層３の上面にｎ側超格子層４を形成した。ｎ側超格子層４は、以下の複数の半導体層を含むように形成した。まず、膜厚が約８０ｎｍであり、ＳｉがドープされたＧａＮ層を形成した。次に、膜厚が約３ｎｍのアンドープのＧａＮ層と、膜厚が約１．５ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層とのペアを２７ペア形成した。続いて、膜厚が約３ｎｍのアンドープのＧａＮ層と、膜厚が約１．５ｎｍであり、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層とのペアを３ペア形成した。最後に、膜厚が約１０ｎｍであり、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層と、膜厚が約１ｎｍであり、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層とのペアを６ペア形成した。

次に、ｎ側超格子層４の上面に活性層５を形成した。活性層５は、以下の複数の井戸層と複数の障壁層とを含むように形成した。

まず、第２障壁層５ｂ２として、膜厚が約６ｎｍであり、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層と、膜厚が約２．３ｎｍのアンドープのＧａＮ層と、膜厚が約０．６ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。そして、第１井戸層５ｗ１として、膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層を形成し、第１中間層５ｃとして膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。

次に、第３障壁層５ｂ３として、膜厚が約１６．３ｎｍであり、ＳｉがドープされたＧａＮ層を形成し、第１井戸層５ｗ１として、膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層を形成し、第１中間層５ｃとして、膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。これらの第３障壁層５ｂ３、第１井戸層５ｗ１、及び第１中間層５ｃを形成する工程を４回繰り返して行った。

次に、第３障壁層５ｂ３として、膜厚が約１６．３ｎｍであり、ＳｉがドープされたＧａＮ層を形成し、第２井戸層５ｗ２として、膜厚が約３．０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層を形成し、第１中間層５ｃとして、膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。これらの第３障壁層５ｂ３、第２井戸層５ｗ２、及び第１中間層５ｃを形成する工程を３回繰り返して行った。

次に、第３障壁層５ｂ３として、膜厚が約１０ｎｍであり、ＳｉがドープされたＧａＮ層を形成し、第２井戸層５ｗ２として、膜厚が約３．０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層を形成し、第１中間層５ｃとして、膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。４回繰り返して行った。

次に、第３障壁層５ｂ３として、膜厚が約１０ｎｍであり、ＳｉがドープされたＧａＮ層を形成し、第３井戸層５ｗ３として、膜厚が約３．４ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層を形成し、第１中間層５ｃとして、膜厚が約１．６ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成し、第２中間層５ｉとして、膜厚が約５．３ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。

次に、第１障壁層５ｂ１として、膜厚が約１３．１ｎｍであり、ＭｇがドープされたＧａＮ層を形成した。このとき、第１障壁層５ｂ１のｐ型不純物濃度は、約１．３×１０^１９／ｃｍ^３になるように形成した。

以上の半導体層を形成することで複数の井戸層と複数の障壁層を含む活性層５を形成した。本実施例の活性層５は、５つの第１井戸層５ｗ１と、７つの第２井戸層５ｗ２と、１つの第３井戸層５ｗ３とを有する。また、第１井戸層５ｗ１、第２井戸層５ｗ２、及び第３井戸層５ｗ３として形成したＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、それぞれ２５％とした。

活性層５の上面に、膜厚が約１１ｎｍのｐ型障壁層６を形成した。ｐ型障壁層６は、ｐ型不純物としてＭｇを含むＡｌＧａＮ層である。このｐ型障壁層６において、Ａｌの比率は約１２．５％とした。ｐ型障壁層６のｐ型不純物濃度は、約４×１０^２０／ｃｍ^３になるように形成した。

ｐ型障壁層６の上面に、ｐ側コンタクト層７を形成した。ｐ側コンタクト層７は、膜厚が約８０ｎｍのアンドープのＧａＮ層を形成し、その後、膜厚が約２０ｎｍであり、ＭｇがドープされたＧａＮ層を形成することで形成した。

上記のとおり各半導体層を成長させた後、窒素雰囲気中、ウェハを反応炉内において、約７００℃で熱処理を行った。

熱処理後、ｐ側窒化物半導体層２０の一部、活性層５、ｎ側窒化物半導体層１０の一部を除去して、ｎ側コンタクト層３の表面の一部を露出させた。

その後、ｐ側コンタクト層７の表面の一部にｐ電極９を形成し、露出されたｎ側コンタクト層３の表面の一部にｎ電極８を形成した。

以上説明した本実施例において、１００ｍＡの電流を流したときの窒化物半導体発光素子の発光効率は、４３．９％であった。

なお、今回開示した実施態様は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施態様のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ 基板
２ 下地層
３ ｎ側コンタクト層
４ ｎ側超格子層
５ 活性層
５ｃ 第１中間層
５ｉ 第２中間層
５ｂ１ 第１障壁層
５ｂ２ 第２障壁層
５ｂ３ 第３障壁層
５ｂｗ 積層部
５ｗ１ 第１井戸層
５ｗ２ 第２井戸層
５ｗ３ 第３井戸層
６ ｐ型障壁層
７ ｐ側コンタクト層
８ ｎ電極
９ ｐ電極
１０ ｎ側窒化物半導体層
２０ ｐ側窒化物半導体層
１００ 窒化物半導体発光素子

Claims (9)

1. ｎ側窒化物半導体層と、ｐ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体層とｐ側窒化物半導体層との間に設けられ、井戸層と障壁層とからなる複数の積層部を含む活性層と、を含み、
   複数の前記井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、第１井戸層と、第２井戸層と、複数の前記井戸層のうち最も前記ｐ側窒化物半導体層の近くに位置する第３井戸層と、を含み、
   前記第２井戸層の膜厚は、前記第１井戸層の膜厚よりも厚く、
   前記第３井戸層の膜厚は、前記第２井戸層の膜厚よりも厚く、
   複数の前記障壁層のうち前記第３井戸層と前記ｐ側窒化物半導体層との間に位置する第１障壁層には、ｐ型不純物がドープされており、
   前記複数の障壁層は、最も前記ｎ側窒化物半導体層の近くに位置する第２障壁層と、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に位置する第３障壁層と、をさらに含み、
   前記第３障壁層のｎ型不純物濃度は、前記第２障壁層のｎ型不純物濃度より低く、
   前記第１井戸層、前記第２井戸層および前記第３井戸層のそれぞれの上にアンドープの半導体層からなる中間層が設けられている、窒化物半導体発光素子。
2. 前記第１障壁層と、前記第３井戸層との間には、アンドープの半導体層からなる中間層が設けられている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記活性層は、複数の前記第１井戸層と、複数の前記第２井戸層を含む、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井戸層の数は、前記第１井戸層の数よりも多い、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第３井戸層の数は、１つである、請求項３または４に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記第３井戸層の膜厚は、前記第１井戸層の膜厚の２倍以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記ｐ側窒化物半導体層は、最も前記活性層の近くに位置し、ｐ型不純物を含むｐ型障壁層を備えており、
   前記第１障壁層のｐ型不純物濃度は、前記ｐ型障壁層のｐ型不純物濃度よりも低い、請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記第１井戸層、前記第２井戸層、及び前記第３井戸層はＩｎを含み、
   前記第１井戸層のＩｎ組成比と、前記第２井戸層のＩｎ組成比と、前記第３井戸層のＩｎ組成比とが等しい、請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記第２井戸層から発光される光の発光ピーク波長は、前記第３井戸層から発光される
   光の発光ピーク波長と等しい、請求項１～８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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