JP7466084B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子に関する。

特許文献１には、トンネル接合を含み、それぞれが異なる波長の光を発する複数の活性領域を有する発光素子が提案されている。

特表２００９－５２７９２０号公報

トンネル接合を形成するｐ型層及びｎ型層には高い不純物濃度の半導体層を用いる必要がある。トンネル接合を有する発光素子の出力を低下させる原因の一つとして、トンネル接合を形成するｐ型層からｐ型不純物が第２活性層側へ拡散することが考えられる。
本発明は、出力を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、発光素子は、それぞれが窒化物半導体からなる、第１ｎ側半導体層と、インジウムを含む第１井戸層を有する第１活性層と、第１ｐ側半導体層と、前記第１ｐ側半導体層と接する第２ｎ側半導体層と、インジウムを含む第２井戸層を有する第２活性層と、第２ｐ側半導体層と、を順に備え、前記第２活性層は、前記第２井戸層よりも前記第１活性層側に位置し、インジウムを含む第１中間層を有し、前記第１井戸層のインジウム組成比は、前記第２井戸層のインジウム組成比よりも低く、前記第１中間層のインジウム組成比は、前記第１井戸層のインジウム組成比よりも低く、前記第１中間層の厚さは、前記第２井戸層の厚さよりも薄い。

本発明によれば、出力を向上させることができる発光素子を提供することができる。

第１実施形態の発光素子の模式断面図である。 第１実施形態の発光素子における第１超格子層を説明するための模式断面図である。 第１実施形態の発光素子における第１活性層を説明するための模式断面図である。 第１実施形態の発光素子における第２超格子層を説明するための模式断面図である。 第１実施形態の発光素子における第２活性層を説明するための模式断面図である。 発光素子のサンプルにおける第１活性層が発する第１波長光の出力の測定結果を示すグラフである。 発光素子のサンプルにおける第２活性層が発する第２波長光の出力の測定結果を示すグラフである。 第２実施形態の発光素子の模式断面図である。 第２実施形態の発光素子における第３活性層を説明するための模式断面図である。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。なお、各図面は、実施形態を模式的に示したものであるため、各部材のスケール、間隔若しくは位置関係などが誇張、又は部材の一部の図示を省略する場合がある。
また、断面図として、切断面のみを示す端面図を示す場合がある。

以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。また、特定の方向又は位置を示す用語（例えば、「上」、「下」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いる場合がある。しかしながら、それらの用語は、参照した図面における相対的な方向又は位置を分かり易さのために用いているに過ぎない。参照した図面における「上」、「下」等の用語による相対的な方向又は位置の関係が同一であれば、本開示以外の図面、実際の製品等において、参照した図面と同一の配置でなくてもよい。本明細書において「上」と表現する位置関係は、接している場合と、接していないが上方に位置している場合も含む。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の発光素子１は、基板１００と、半導体構造体１０と、ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とを備える。

基板１００は、半導体構造体１０を支持する。基板１００の材料として、例えば、サファイア、シリコン、窒化ガリウムなどを用いることができる。基板１００としてサファイア基板を用いる場合、例えば、半導体構造体１０はサファイア基板のｃ面上に配置される。

半導体構造体１０は、基板１００側から順に、第１ｎ側半導体層２０と、第１活性層４０と、第１ｐ側半導体層５０と、第２ｎ側半導体層６０と、第２活性層９０と、第２ｐ側半導体層１１０とを、備える。また、半導体構造体１０は、第１ｎ側半導体層２０と第１活性層４０との間に配置される第１超格子層３０を備えることができる。

第１ｎ側半導体層２０、第１超格子層３０、第１活性層４０、第１ｐ側半導体層５０、第２ｎ側半導体層６０、第２活性層９０、及び第２ｐ側半導体層１１０のそれぞれは、窒化物半導体からなる。窒化物半導体は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含み得る。例えば、半導体構造体１０は、基板１００上にエピタキシャル成長させることで形成される。

第１ｎ側半導体層２０は、ｎ型不純物を含むｎ型層を有する。ｎ型層は、例えば、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含む。または、ｎ型層は、ｎ型不純物としてゲルマニウム（Ｇｅ）を含んでもよい。第１ｎ側半導体層２０は、電子を供給する機能を有していればよく、ｎ型不純物やｐ型不純物を意図的にドープせずに形成したアンドープ層を含んでいてもよい。アンドープ層がｎ型不純物及び／又はｐ型不純物を意図的にドープした層と隣接している場合は、その隣接した層からの拡散等によって、アンドープ層にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物が含まれる場合がある。

第１ｐ側半導体層５０及び第２ｐ側半導体層１１０は、ｐ型不純物を含むｐ型層を有する。ｐ型層は、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含む。第１ｐ側半導体層５０及び第２ｐ側半導体層１１０は、正孔を供給する機能を有していればよく、アンドープ層を含んでいてもよい。

第１活性層４０及び第２活性層９０は、後述するように、複数の井戸層と複数の障壁層とを含む多重量子井戸構造を有する。第１活性層４０の発光ピーク波長は、第２活性層９０の発光ピーク波長よりも短い。例えば、第１活性層４０は青色光を発し、第２活性層９０は緑色光を発する。青色光の発光ピーク波長は、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。緑色光の発光ピーク波長は、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。第１活性層４０は紫外光を発してもよい。紫外光の発光ピーク波長は、４１０ｎｍ以下である。

第２ｎ側半導体層６０は、第１ｐ側半導体層５０と接する。第２ｎ側半導体層６０は、第１ｐ側半導体層５０と接して配置された第１トンネル接合層７０を有する。第１トンネル接合層７０が第１ｐ側半導体層５０と接し、第１ｐ側半導体層５０とトンネル接合を形成する。第２ｎ側半導体層６０は、さらに、第１トンネル接合層７０と第２活性層９０との間に配置される第２超格子層８０を有することができる。第１トンネル接合層７０は、第２超格子層８０のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度のｎ型層を含む。第１トンネル接合層７０は、例えば、１×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２１／ｃｍ^３以下のｎ型不純物濃度のｎ型層を含む。

第１超格子層３０及び第２超格子層８０を配置することで、基板１００と半導体構造体１０との間の格子不整合を緩和し、半導体構造体１０における結晶欠陥を低減することができる。

第１ｎ側半導体層２０は、他の半導体層が設けられていないｎ側コンタクト面２０ａを有する。ｎ側コンタクト面２０ａ上にｎ側電極１２が配置されている。ｎ側電極１２は、第１ｎ側半導体層２０に電気的に接続している。

第２ｐ側半導体層１１０の上面上に、ｐ側電極１１が配置されている。ｐ側電極１１は、第２ｐ側半導体層１１０に電気的に接続している。

ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に順方向電圧を印加する。このとき、第１活性層４０及び第２活性層９０に順方向電流が供給され、第１活性層４０及び第２活性層９０が発光する。

第１活性層４０の上に第２活性層９０を配置することで、１つの活性層を有する発光素子に比べて、単位面積当たりの出力を高くすることができる。発光素子１は、第１活性層４０が発する第１波長光（例えば青色光）と、第２活性層９０が発する第２波長光（例えば緑色光）との混合色の光を発する。

ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に順方向電圧が印加されたとき、第２ｎ側半導体層６０と第１ｐ側半導体層５０との間には逆方向電圧が印加されることになる。そのため、第２ｎ側半導体層６０及び第１ｐ側半導体層５０においてトンネル接合を形成するｎ型層及びｐ型層の不純物濃度を高くすることで、第２ｎ側半導体層６０と第１ｐ側半導体層５０との接合により形成される空乏層の幅を狭くしている。これにより、ｐ型層の価電子帯に存在する電子を、ｎ型層の伝導帯にトンネリングさせることで、第２ｎ側半導体層６０と第１ｐ側半導体層５０との間に電流を流しやすくできる。

以下、第１超格子層３０、第１活性層４０、第２超格子層８０、及び第２活性層９０の詳細について説明する。

＜第１超格子層＞
図２に示すように、第１超格子層３０は、複数の第３層３１と、複数の第４層３２とを有する。第１超格子層３０は、例えば、第３層３１と第４層３２の組を１５個以上２５個以下有することができる。第１超格子層３０は、例えば、２０層の第３層３１と、２０層の第４層３２とを有することができる。第１超格子層３０において、最下層に第４層３２が位置し、最上層に第３層３１が位置する。最下層の第４層３２から最上層の第３層３１に向かって、第４層３２と第３層３１とが交互に配置されている。

複数の第４層３２は、複数の第３層３１のうち隣り合う第３層３１間に位置する第４層３２を有する。また、第４層３２は、最下層の第３層３１と、第１ｎ側半導体層２０との間にも配置されている。

第３層３１の組成と第４層３２の組成とは異なる。第３層３１は、インジウム（Ｉｎ）を含む。第３層３１は、例えば、アンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ層）からなる。第３層３１のインジウム組成比は、例えば、３％以上１０％以下とすることができる。第４層３２は、例えば、アンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。第３層３１及び第４層３２のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下とすることができる。なお、第３層３１及び第４層３２のｎ型不純物濃度とは、第３層３１及び第４層３２におけるｎ型不純物濃度のうち、最も高いｎ型不純物濃度である。

第３層３１の厚さは、第４層３２の厚さよりも薄い。第３層３１の厚さを、例えば、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることができる。第４層３２の厚さを、例えば、１．５ｎｍ以上３ｎｍとすることができる。

＜第１活性層＞
図３に示すように、第１活性層４０は、複数の第１井戸層４１と、少なくとも１つの第１障壁層４２とを有する。第１活性層４０は、例えば、７層の第１井戸層４１と、６層の第１障壁層４２とを有することができる。それぞれの第１障壁層４２は、複数の第１井戸層４１のうち隣り合う第１井戸層４１間に位置する。さらに、第１活性層４０は、第１活性層４０において、最下層に位置する第３障壁層４３と、最上層に位置する第４障壁層４４とを有することができる。複数の第１障壁層４２のうちの最下層に位置する第１障壁層４２と、第３障壁層４３との間に、第１井戸層４１が配置されている。複数の第１障壁層４２のうちの最上層に位置する第１障壁層４２と、第４障壁層４４との間に第１井戸層４１が配置されている。第３障壁層４３と第４障壁層４４との間において、第１井戸層４１と第１障壁層４２とが交互に配置されている。

第１井戸層４１は、インジウムを含む。第１井戸層４１は、例えば、アンドープの窒化インジウムガリウムからなる。第１井戸層４１のインジウム組成比は、例えば、１２％以上１８％以下とすることができる。

第１障壁層４２、第３障壁層４３、及び第４障壁層４４のバンドギャップは、第１井戸層４１のバンドギャップよりも広い。第１障壁層４２、第３障壁層４３、及び第４障壁層４４は、例えば、窒化ガリウムからなる。

第１障壁層４２の厚さ及び第４障壁層４４の厚さは、第１井戸層４１の厚さよりも厚い。第１井戸層４１の厚さは、例えば、２．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることできる。第１障壁層４２の厚さ、第３障壁層４３の厚さ、及び第４障壁層４４の厚さは、例えば、３ｎｍ以上６ｎｍ以下とすることができる。

＜第２超格子層＞
図４に示すように、第２超格子層８０は、複数の第１層８１と、複数の第２層８２とを有する。第２超格子層８０は、例えば、第１層８１と第２層８２の組を１５個以上２５個以下有することができる。第２超格子層８０は、例えば、２０層の第１層８１と、２０層の第２層８２とを有することができる。第２超格子層８０において、最下層に第２層８２が位置し、最上層に第１層８１が位置する。最下層の第２層８２から最上層の第１層８１に向かって、第２層８２と第１層８１とが交互に配置されている。

複数の第２層８２は、複数の第１層８１のうち隣り合う第１層８１間に位置する第２層８２を有する。また、第２層８２は、最下層の第１層８１と、第１トンネル接合層７０との間にも配置されている。

第１層８１の組成と第２層８２の組成とは異なる。第１層８１は、インジウムを含む。第１層８１は、例えば、シリコンがドープされた窒化インジウムガリウムからなる。第１層８１のインジウム組成比は、例えば、５％以上１０％以下とすることができる。第２層８２は、例えば、シリコンがドープされた窒化ガリウムからなる。第１層８１及び第２層８２のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下とすることができる。なお、第１層８１のｎ型不純物濃度とは、第１層８１におけるｎ型不純物濃度のうち、最も高いｎ型不純物濃度である。また、第２層８２のｎ型不純物濃度とは、第２層８２におけるｎ型不純物濃度のうち、最も高いｎ型不純物濃度である。

第１層８１の厚さは、第２層８２の厚さよりも薄い。第１層８１の厚さを、例えば、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることができる。第２層８２の厚さを、例えば、１．５ｎｍ以上３ｎｍとすることができる。

＜第２活性層＞
図５に示すように、第２活性層９０は、第２井戸層９１と、第１中間層９３と、第２障壁層９２と、第５障壁層９５と、第６障壁層９６とを有する。

図５には、第２活性層９０が、１つの第２井戸層９１と１つの第２障壁層９２を有する例を示す。第２活性層９０は、第２井戸層９１と第２障壁層９２との組を複数組有してもよい。この場合、複数の第２井戸層９１のうち隣り合う第２井戸層９１間に、第２障壁層９２が位置する。

第１中間層９３は、第２井戸層９１よりも第１活性層４０側に位置する。第２障壁層９２は、第２井戸層９１と第１中間層９３との間に位置する。第２活性層９０において、最下層に第５障壁層９５が位置し、最上層に第６障壁層９６が位置する。第２井戸層９１と第２障壁層９２との組を複数組有する場合、第１中間層９３は、複数の第２障壁層９２のうち最下層の第２障壁層９２と、第５障壁層９５との間に位置する。第２井戸層９１は、第２障壁層９２と第６障壁層９６との間に位置する。第２井戸層９１と第２障壁層９２との組を複数組有する場合、複数の第２井戸層９１のうち最上層の第２井戸層９１が、複数の第２障壁層９２のうち最上層の第２障壁層９２と、第６障壁層９６との間に位置する。

第２井戸層９１は、インジウムを含む。第２井戸層９１は、例えば、アンドープの窒化インジウムガリウムからなる。第２井戸層９１のインジウム組成比は、第１活性層４０の第１井戸層４１のインジウム組成比よりも高い。第２井戸層９１のインジウム組成比は、例えば、２０％以上２５％以下とすることができる。

第１中間層９３は、インジウムを含む。第１中間層９３は、例えば、アンドープの窒化インジウムガリウムからなる。第１中間層９３のインジウム組成比は、第１活性層４０の第１井戸層４１のインジウム組成比よりも低い。また、第１中間層９３のインジウム組成比は、第２超格子層８０の第１層８１のインジウム組成比よりも高い。第１中間層９３のインジウム組成比は、例えば、８％以上１２％以下とすることができる。

第２障壁層９２、第５障壁層９５、及び第６障壁層９６のバンドギャップは、第２井戸層９１のバンドギャップ、及び第１中間層９３のバンドギャップよりも広い。第２障壁層９２、第５障壁層９５、及び第６障壁層９６は、例えば、窒化ガリウムからなる。

第１中間層９３の厚さは、第２井戸層９１の厚さよりも薄い。第１中間層９３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることができる。第２井戸層９１の厚さは、第１井戸層４１の厚さよりも薄い。第２井戸層９１の厚さは、例えば、２ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることできる。

第２障壁層９２の厚さ、第５障壁層９５の厚さ、及び第６障壁層９６の厚さは、それぞれ第２井戸層９１の厚さよりも厚い。第２障壁層９２の厚さ、第５障壁層９５の厚さ、及び第６障壁層９６の厚さは、例えば、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることができる。

本実施形態によれば、第１ｐ側半導体層５０と第２ｎ側半導体層６０とが形成するトンネル接合と、第２井戸層９１との間に第１中間層９３を配置することで、第２井戸層９１とトンネル接合を形成するｐ型層との距離を長くすることができ、トンネル接合を形成するｐ型層からｐ型不純物（例えば、マグネシウム）が第２井戸層９１に拡散しにくくなる。これにより、第２井戸層９１にｐ型不純物が拡散することによる第２井戸層９１の結晶性の悪化を低減し、第２井戸層９１が発する光の出力を向上させることができる。

なお、第２活性層９０において、第１中間層９３を配置せず、第２井戸層９１と第２ｎ側半導体層６０との間に配置される障壁層の厚さを厚くすることで、第２井戸層９１とトンネル接合との距離を長くすることが考えられる。この場合、第２井戸層９１よりもバンドギャップが広い障壁層が電子及び正孔の移動の障壁となり順方向電圧が高くなりやすい。

第１中間層９３のバンドギャップは、第１中間層９３に接して配置される第２障壁層９２及び第５障壁層９５のバンドギャップよりも狭く、第１中間層９３の厚さは第２井戸層９１の厚さよりも薄いため、トンネル効果が得られ、順方向電圧を低減できる。第１中間層９３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、第１中間層９３のインジウム組成比は、第１活性層４０の第１井戸層４１のインジウム組成比よりも低いため、第１井戸層４１が発した光の第１中間層９３における吸収を低減できる。第１中間層９３のインジウム組成比は、例えば、８％以上１２％以下とすることが好ましい。

第１井戸層４１が発した光の第２活性層９０における吸収をより低減するために、第２井戸層９１の数は、第１井戸層４１の数よりも少なくすることが好ましい。

図６Ａは、発光素子のサンプルにおける第１活性層４０が発する第１波長光の出力の測定結果を示すグラフである。第１波長光は、青色光である。
第１中間層９３を含まない第２活性層９０における第２井戸層９１の数を、１層、２層、３層と変更したサンプルを作製し、第１活性層４０が発する第１波長光の出力をそれぞれ測定した。この測定結果を黒丸で表す。
また、第２活性層９０が、１層の第２井戸層９１と、１層の第１中間層９３とを含むサンプルを作製し、第１活性層４０が発する第１波長光の出力を測定した。この測定結果を白丸で表す。
図６Ａにおける縦軸の第１波長光の出力は、第１中間層９３を含まず、３層の第２井戸層９１を含むサンプルの第１波長光の出力を１００％とした場合の相対値を表す。

図６Ｂは、発光素子のサンプルにおける第２活性層９０が発する第２波長光の出力の測定結果を示すグラフである。第２波長光は、緑色光である。
第１中間層９３を含まない第２活性層９０における第２井戸層９１の数を、１層、２層、３層と変更したサンプルを作製し、第２活性層９０が発する第２波長光の出力をそれぞれ測定した。この測定結果を黒丸で表す。
また、第２活性層９０が、１層の第２井戸層９１と、１層の第１中間層９３とを含むサンプルを作製し、第２活性層９０が発する第２波長光の出力を測定した。この測定結果を白丸で表す。
図６Ｂにおける縦軸の第２波長光の出力は、第１中間層９３を含まず、３層の第２井戸層９１を含むサンプルの第２波長光の出力を１００％とした場合の相対値を表す。

上記測定に用いた各サンプルは、以下の構成を有する。

基板１００はサファイア基板である。
第１ｎ側半導体層２０は、ｎ型不純物としてシリコンを含む。第１ｎ側半導体層２０のシリコン濃度は、約１×１０^１９／ｃｍ^３である。第１ｎ側半導体層２０のシリコン濃度とは、第１ｎ側半導体層２０におけるシリコン濃度のうち、最も高いシリコン濃度である。第１ｎ側半導体層２０の厚さは、約１０μｍである。
第１超格子層３０は、２０層の第３層３１と、２０層の第４層３２とを有する。第３層３１は、アンドープの窒化インジウムガリウム層である。第３層３１のインジウム組成比は、約７％である。第３層３１の厚さは、約１ｎｍである。第４層３２は、アンドープの窒化ガリウム層である。第４層３２の厚さは、約２ｎｍである。
第１活性層４０は、７層の第１井戸層４１を有する。第１井戸層４１は、アンドープの窒化インジウムガリウム層である。第１井戸層４１のインジウム組成比は、約１５％である。第１井戸層４１の厚さは約３．４ｎｍである。
第１ｐ側半導体層５０は、ｐ型不純物としてマグネシウムを含む。第１ｐ側半導体層５０のマグネシウム濃度は、約３×１０^２０／ｃｍ^３である。第１ｐ側半導体層５０のマグネシウム濃度とは、第１ｐ側半導体層５０におけるマグネシウム濃度のうち、最も高いマグネシウム濃度である。第１ｐ側半導体層５０の厚さは、約１４０ｎｍである。
第１トンネル接合層７０は、シリコンがドープされたｎ型窒化ガリウム層を含む。第１トンネル接合層７０のシリコン濃度は、約８×１０^２０／ｃｍ^３である。第１トンネル接合層７０のシリコン濃度とは、第１トンネル接合層７０におけるシリコン濃度のうち、最も高いシリコン濃度である。第１トンネル接合層７０の厚さは、約２ｎｍである。
第２超格子層８０は、２０層の第１層８１と、２０層の第２層８２とを有する。第１層８１は、シリコンがドープされた窒化インジウムガリウム層である。第１層８１のインジウム組成比は、約７％である。第１層８１の厚さは、約１ｎｍである。第２層８２は、シリコンがドープされた窒化ガリウム層である。第２層８２の厚さは、約２ｎｍである。第１層８１及び第２層８２のシリコン濃度は、約２×１０^１９／ｃｍ^３である。第１層８１及び第２層８２のシリコン濃度とは、第１層８１及び第２層８２におけるシリコン濃度のうち、最も高いシリコン濃度である。
第２活性層９０の第２井戸層９１は、アンドープの窒化インジウムガリウム層である。第２井戸層９１のインジウム組成比は、約２３％である。第２井戸層９１の厚さは約２．８ｎｍである。第２活性層９０が第１中間層９３を含むサンプルにおいて、第１中間層９３は、アンドープの窒化インジウムガリウム層である。第１中間層９３のインジウム組成比は、約１０％である。第１中間層９３の厚さは約１．５ｎｍである。
第２ｐ側半導体層１１０は、ｐ型不純物としてマグネシウムを含む。第２ｐ側半導体層１１０のマグネシウム濃度は、約３×１０^２０／ｃｍ^３である。第２ｐ側半導体層１１０のマグネシウム濃度とは、第２ｐ側半導体層１１０におけるマグネシウム濃度のうち、最も高いマグネシウム濃度である。第２ｐ側半導体層１１０の厚さは、約１１５ｎｍである。

図６Ａに示すように、第１中間層９３を含まないサンプル（黒丸の測定点）において第２井戸層９１の数が減るにしたがって、第１波長光（青色光）の第２井戸層９１における吸収が低減し、第１波長光の出力が高くなる傾向がある。一方で、図６Ｂに示すように、第１中間層９３を含まないサンプル（黒丸の測定点）において第２井戸層９１の数が減るにしたがって、第２波長光（緑色光）の出力は低くなる傾向がある。

第２井戸層９１の数を１層とし、第１中間層９３を含むサンプルは、第２井戸層９１の数を１層とし、第１中間層９３を含まないサンプルに比べて、第１波長光の出力をほぼ同じに維持しつつ（図６Ａの白丸の測定点）、第２波長光の出力を高くすることができる（図６Ｂの白丸の測定点）。また、第２井戸層９１の数を１層とし、第１中間層９３を含むサンプルは、第２井戸層９１の数を３層とし、第１中間層９３を含まないサンプルに比べて、第１波長光の出力と第２波長光の出力とを合わせた発光素子の出力を高くすることができる。

［第２実施形態］
図７に示すように、第２実施形態の発光素子２は、基板１００と、半導体構造体１０と、ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とを備える。第２実施形態の発光素子２は、半導体構造体１０が、第３ｎ側半導体層１２０と、第３活性層１５０と、第３ｐ側半導体層１６０と、をさらに備えること以外は、実質的に第１実施形態の発光素子１と同じ構造を有する。第３ｎ側半導体層１２０、第３活性層１５０、及び第３ｐ側半導体層１６０は、それぞれが窒化物半導体からなる。

第３ｎ側半導体層１２０は、第２ｐ側半導体層１１０と接する。第３ｎ側半導体層１２０は、第２ｐ側半導体層１１０と接して配置された第２トンネル接合層１３０を有する。第２トンネル接合層１３０が第２ｐ側半導体層１１０と接し、第２ｐ側半導体層１１０とトンネル接合を形成する。第３ｎ側半導体層１２０は、さらに、第２トンネル接合層１３０と第３活性層１５０との間に配置される第３超格子層１４０を有することができる。第３超格子層１４０は、第２超格子層８０と同様の構造を有する。第３超格子層１４０を配置することで、基板１００と半導体構造体１０との間の格子不整合を緩和し、半導体構造体１０における結晶欠陥を低減することができる。

第２トンネル接合層１３０は、第１トンネル接合層７０と同様の構造を有する。第２トンネル接合層１３０は、第３超格子層１４０のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度のｎ型層を含む。第２トンネル接合層１３０は、例えば、１×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２１／ｃｍ^３以下のｎ型不純物濃度のｎ型層を含む。

第３活性層１５０は、第３ｎ側半導体層１２０上に配置される。第３活性層１５０の発光ピーク波長は、第１活性層４０の発光ピーク波長及び第２活性層９０の発光ピーク波長よりも長い。第３活性層１５０は、例えば、赤色光を発する。赤色光の発光ピーク波長は、６１５ｎｍ以上７５０ｎｍ以下である。

図８に示すように、第３活性層１５０は、第３井戸層１５１と、第２中間層１５３と、第７障壁層１５２と、第８障壁層１５５と、第９障壁層１５６とを有する。第３活性層１５０は、第３井戸層１５１と第７障壁層１５２との組を複数組有してもよい。この場合、複数の第３井戸層１５１のうち隣り合う第３井戸層１５１間に、第７障壁層１５２が位置する。

第２中間層１５３は、第３井戸層１５１よりも第２活性層９０側に位置する。第７障壁層１５２は、第３井戸層１５１と第２中間層１５３との間に位置する。第３活性層１５０において、最下層に第８障壁層１５５が位置し、最上層に第９障壁層１５６が位置する。第３井戸層１５１と第７障壁層１５２との組を複数組有する場合、第２中間層１５３は、複数の第７障壁層１５２のうち最下層の第７障壁層１５２と、第８障壁層１５５との間に位置する。第３井戸層１５１は、第７障壁層１５２と第９障壁層１５６との間に位置する。第３井戸層１５１と第７障壁層１５２との組を複数組有する場合、複数の第３井戸層１５１のうち最上層の第３井戸層１５１が、複数の第７障壁層１５２のうち最上層の第７障壁層１５２と、第９障壁層１５６との間に位置する。

第３井戸層１５１は、インジウムを含む。第３井戸層１５１は、例えば、アンドープの窒化インジウムガリウムからなる。第３井戸層１５１のインジウム組成比は、第２井戸層９１のインジウム組成比よりも高い。第３井戸層１５１のインジウム組成比は、例えば、２５％以上４０％以下、好ましくは３０％以上３５％以下とすることができる。第３井戸層１５１の厚さは、例えば、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることできる。

第２中間層１５３は、インジウムを含む。第２中間層１５３は、例えば、アンドープの窒化インジウムガリウムからなる。第２中間層１５３のインジウム組成比は、第２井戸層９１のインジウム組成比よりも低い。また、第２中間層１５３のインジウム組成比は、第１中間層９３のインジウム組成比と同じ、又は低くすることできる。第２中間層１５３の厚さは、第３井戸層１５１の厚さよりも薄い。

第７障壁層１５２、第８障壁層１５５、及び第９障壁層１５６のバンドギャップは、第３井戸層１５１のバンドギャップ及び第２中間層１５３のバンドギャップよりも広い。第７障壁層１５２、第８障壁層１５５、及び第９障壁層１５６は、例えば、窒化ガリウムからなる。

第７障壁層１５２の厚さ、第８障壁層１５５の厚さ、及び第９障壁層１５６の厚さは、それぞれ第３井戸層１５１の厚さよりも厚い。第７障壁層１５２の厚さ、第８障壁層１５５の厚さ、及び第９障壁層１５６の厚さは、例えば、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることができる。

第３ｐ側半導体層１６０は、第３活性層１５０上に配置される。第３ｐ側半導体層１６０は、ｐ型不純物を含むｐ型層を有する。第３ｐ側半導体層１６０のｐ型層は、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含む。第３ｐ側半導体層１６０は、正孔を供給する機能を有していればよく、アンドープ層を含んでいてもよい。

第３ｐ側半導体層１６０の上面上に、ｐ側電極１１が配置される。ｐ側電極１１は、第３ｐ側半導体層１６０に電気的に接続している。

第２実施形態の発光素子２において、ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に順方向電圧を印加する。このとき、第１活性層４０、第２活性層９０、及び第３活性層１５０に順方向電流が供給され、第１活性層４０、第２活性層９０、及び第３活性層１５０が発光する。

第１活性層４０の上に第２活性層９０を配置し、第２活性層９０の上に第３活性層１５０を配置することで、１つの活性層を有する発光素子、及び２つの活性層を有する第１実施形態の発光素子１に比べて、単位面積当たりの出力を高くすることができる。発光素子２は、第１活性層４０が発する第１波長光（例えば青色光）と、第２活性層９０が発する第２波長光（例えば緑色光）と、第３活性層１５０が発する第３波長光（例えば赤色光）と、の混合色の光を発する。

ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に順方向電圧が印加されたとき、第２ｎ側半導体層６０と第１ｐ側半導体層５０との間、及び第３ｎ側半導体層１２０と第２ｐ側半導体層１１０との間には逆方向電圧が印加されることになる。そのため、第２ｎ側半導体層６０及び第１ｐ側半導体層５０においてトンネル接合を形成するｎ型層及びｐ型層の不純物濃度を高くし、且つ第３ｎ側半導体層１２０及び第２ｐ側半導体層１１０においてトンネル接合を形成するｎ型層及びｐ型層の不純物濃度を高くすることで、第２ｎ側半導体層６０と第１ｐ側半導体層５０との接合により形成される空乏層の幅、及び第３ｎ側半導体層１２０と第２ｐ側半導体層１１０との接合により形成される空乏層の幅を狭くしている。これにより、ｐ型層の価電子帯に存在する電子を、ｎ型層の伝導帯にトンネリングさせることで、第２ｎ側半導体層６０と第１ｐ側半導体層５０との間、及び第３ｎ側半導体層１２０と第２ｐ側半導体層１１０との間に電流を流しやすくできる。

第２実施形態によれば、第２ｐ側半導体層１１０と第３ｎ側半導体層１２０とが形成するトンネル接合と、第３井戸層１５１との間に第２中間層１５３を配置することで、第３井戸層１５１と、トンネル接合を形成するｐ型層との距離を長くすることができ、トンネル接合を形成するｐ型層からｐ型不純物（例えば、マグネシウム）が第３井戸層１５１に拡散しにくくなる。これにより、第３井戸層１５１にｐ型不純物が拡散することによる第３井戸層１５１の結晶性の悪化を低減し、第３井戸層１５１が発する光の出力を向上させることができる。

第２中間層１５３のバンドギャップは、第２中間層１５３に接して配置される第７障壁層１５２のバンドギャップ及び第８障壁層１５５のバンドギャップよりも狭く、第２中間層１５３の厚さは第３井戸層１５１の厚さよりも薄いため、トンネル効果が得られ、順方向電圧を低減できる。第２中間層１５３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることが好ましい。第２中間層１５３の厚さは、第１中間層９３の厚さ以下とすることができる。

また、第２中間層１５３のインジウム組成比は、第２井戸層９１のインジウム組成比よりも低いため、第２井戸層９１が発した光の第２中間層１５３における吸収を低減できる。第２中間層１５３のインジウム組成比は、例えば、８％以上１２％以下とすることが好ましい。

第１井戸層４１が発した光の第３活性層１５０における吸収をより低減するために、第３井戸層１５１の数は、第１井戸層４１の数よりも少なくすることが好ましい。第３井戸層１５１の数は、例えば、１つとすることができる。

第１実施形態の発光素子１が有する第１活性層４０及び第２活性層９０は、それぞれ個別に点灯制御してもよい。例えば、第２ｎ側半導体層６０に電気的に接続される電極を配置することで、第１活性層４０及び第２活性層９０をそれぞれ個別に点灯制御してもよい。第２実施形態の発光素子２が有する第１活性層４０、第２活性層９０、及び第３活性層１５０は、それぞれ個別に点灯制御してもよい。例えば、第２ｎ側半導体層６０に電気的に接続される電極と、第３ｎ側半導体層１２０に電気的に接続される電極とを配置し、第１活性層４０、第２活性層９０、及び第３活性層１５０を個別に点灯制御してもよい。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものである。

本発明の実施形態は、以下の発光素子を含む。

［項１］それぞれが窒化物半導体からなる、第１ｎ側半導体層と、インジウムを含む第１井戸層を有する第１活性層と、第１ｐ側半導体層と、前記第１ｐ側半導体層と接する第２ｎ側半導体層と、インジウムを含む第２井戸層を有する第２活性層と、第２ｐ側半導体層と、
を順に備え、
前記第２活性層は、前記第２井戸層よりも前記第１活性層側に位置し、インジウムを含む第１中間層を有し、
前記第１井戸層のインジウム組成比は、前記第２井戸層のインジウム組成比よりも低く、
前記第１中間層のインジウム組成比は、前記第１井戸層のインジウム組成比よりも低く、
前記第１中間層の厚さは、前記第２井戸層の厚さよりも薄い発光素子。
［項２］前記第２井戸層の数は、前記第１井戸層の数よりも少ない上記項１に記載の発光素子。
［項３］前記第２ｎ側半導体層は、超格子層をさらに有し、
前記超格子層は、インジウムを含む複数の第１層と、前記複数の第１層のうち隣り合う第１層間に位置する第２層と、を有し、
前記第１層のインジウム組成比は、前記第１中間層のインジウム組成比よりも低い上記項１または２に記載の発光素子。
［項４］前記第２井戸層の数は、１つである上記項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
［項５］前記第１中間層のインジウム組成比は、８％以上１２％以下である上記項１～４のいずれか１つに記載の発光素子。
［項６］前記第１井戸層のインジウム組成比は、１２％以上１８％以下であり、
前記第２井戸層のインジウム組成比は、２０％以上２５％以下である上記項１～５のいずれか１つに記載の発光素子。
［項７］前記第２井戸層の厚さは、前記第１井戸層の厚さよりも薄い上記項１～６のいずれか１つに記載の発光素子。
［項８］前記第１中間層の厚さは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である上記項１～７のいずれか１つに記載の発光素子。
［項９］前記第１井戸層、前記第２井戸層、及び前記第１中間層は、窒化インジウムガリウムからなる上記項１～８のいずれか１つに記載の発光素子。
［項１０］さらに、それぞれが窒化物半導体からなる、前記第２ｐ側半導体層と接する第３ｎ側半導体層と、インジウムを含む第３井戸層を有する第３活性層と、第３ｐ側半導体層と、を順に備え、
第３活性層は、前記第３井戸層よりも前記第２活性層側に位置し、インジウムを含む第２中間層を有し、
前記第２井戸層のインジウム組成比は、前記第３井戸層のインジウム組成比よりも低く、
前記第２中間層のインジウム組成比は、前記第２井戸層のインジウム組成比よりも低く、
前記第２中間層の厚さは、前記第３井戸層の厚さよりも薄い上記項１～９のいずれか１つに記載の発光素子。
［項１１］前記第３井戸層の数は、前記第１井戸層の数よりも少ない上記項１０に記載の発光素子。
［項１２］前記第３井戸層のインジウム組成比は、２５％以上４０％以下である上記項１０または１１に記載の発光素子。
［項１３］前記第２中間層の厚さは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である上記項１０～１２のいずれか１つに記載の発光素子。

１，２…発光素子、１０…半導体構造体、１１…ｐ側電極、１２…ｎ側電極、２０…第１ｎ側半導体層、３０…第１超格子層、３１…第３層、３２…第４層、４０…第１活性層、４１…第１井戸層、５０…第１ｐ側半導体層、６０…第２ｎ側半導体層、７０…第１トンネル接合層、８０…第２超格子層、８１…第１層、８２…第２層、９０…第２活性層、９１…第２井戸層、９３…第１中間層、１００…基板、１１０…第２ｐ側半導体層、１２０…第３ｎ側半導体層、１３０…第２トンネル接合層、１４０…第３超格子層、１５０…第３活性層、１５１…第３井戸層、１５３…第２中間層、１６０…第３ｐ側半導体層

Claims (13)

1. それぞれが窒化物半導体からなる、第１ｎ側半導体層と、インジウムを含む第１井戸層を有する第１活性層と、第１ｐ側半導体層と、前記第１ｐ側半導体層と接する第２ｎ側半導体層と、インジウムを含む第２井戸層を有する第２活性層と、第２ｐ側半導体層と、
   を順に備え、
   前記第２活性層は、前記第２井戸層よりも前記第１活性層側に位置し、インジウムを含む第１中間層を有し、
   前記第１井戸層のインジウム組成比は、前記第２井戸層のインジウム組成比よりも低く、
   前記第１中間層のインジウム組成比は、前記第１井戸層のインジウム組成比よりも低く、
   前記第１中間層の厚さは、前記第２井戸層の厚さよりも薄く、
   前記第２ｎ側半導体層は、超格子層をさらに有し、
   前記超格子層は、インジウムを含む複数の第１層と、前記複数の第１層のうち隣り合う第１層間に位置する第２層と、を有し、
   前記第１層のインジウム組成比は、前記第１中間層のインジウム組成比よりも低い発光素子。
2. 前記第２井戸層の数は、前記第１井戸層の数よりも少ない請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第２井戸層の数は、１つである請求項１に記載の発光素子。
4. 前記第１中間層のインジウム組成比は、８％以上１２％以下である請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
5. 前記第１井戸層のインジウム組成比は、１２％以上１８％以下であり、
   前記第２井戸層のインジウム組成比は、２０％以上２５％以下である請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
6. 前記第２井戸層の厚さは、前記第１井戸層の厚さよりも薄い請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
7. 前記第１中間層の厚さは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
8. 前記第１井戸層、前記第２井戸層、及び前記第１中間層は、窒化インジウムガリウムからなる請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
9. さらに、それぞれが窒化物半導体からなる、前記第２ｐ側半導体層と接する第３ｎ側半導体層と、インジウムを含む第３井戸層を有する第３活性層と、第３ｐ側半導体層と、を順に備え、
   第３活性層は、前記第３井戸層よりも前記第２活性層側に位置し、インジウムを含む第２中間層を有し、
   前記第２井戸層のインジウム組成比は、前記第３井戸層のインジウム組成比よりも低く、
   前記第２中間層のインジウム組成比は、前記第２井戸層のインジウム組成比よりも低く、
   前記第２中間層の厚さは、前記第３井戸層の厚さよりも薄い請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
10. 前記第３井戸層の数は、前記第１井戸層の数よりも少ない請求項９に記載の発光素子。
11. 前記第３井戸層のインジウム組成比は、２５％以上４０％以下である請求項９に記載の発光素子。
12. 前記第２中間層の厚さは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である請求項９に記載の発光素子。
13. それぞれが窒化物半導体からなる、第１ｎ側半導体層と、インジウムを含む第１井戸層を有する第１活性層と、第１ｐ側半導体層と、前記第１ｐ側半導体層と接する第２ｎ側半導体層と、インジウムを含む第２井戸層を有する第２活性層と、第２ｐ側半導体層と、
    を順に備え、
    前記第２活性層は、前記第２井戸層よりも前記第１活性層側に位置し、インジウムを含む第１中間層と、前記第１中間層と前記第２井戸層との間に位置する第２障壁層と、を有し、
    前記第１井戸層のインジウム組成比は、前記第２井戸層のインジウム組成比よりも低く、
    前記第１中間層のインジウム組成比は、前記第１井戸層のインジウム組成比よりも低く、
    前記第１中間層の厚さは、前記第２井戸層の厚さよりも薄く、
    前記第１中間層のバンドギャップは、前記第２障壁層のバンドギャップよりも狭い発光素子。

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