JPWO2019102557A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
窒化物半導体発光素子は、少なくともｎ型層、活性層及びｐ型層を含む複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を備える。活性層は、ＧａＮ系半導体で構成された井戸層を少なくとも１つ含む量子井戸構造を有し、井戸層は、ｎ型層側の第１面とｐ型層側の第２面との間の最短距離が、前記窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内において変動しており、発光素子構造部から出射される光のピーク発光波長が３５４ｎｍよりも短い。
Description
本発明は、ＧａＮ系半導体で構成された発光層を有する窒化物半導体発光素子に関する。
従来、キャリア（電子及び正孔）の再結合によって発光が生じる発光層がＩｎＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子が、広く普及している。
しかし、発光層がＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子や、発光層がＡｌＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子は、発光効率が低いという問題があり、普及の障害になっている。なお、半導体発光素子の発光効率は、注入した電子が光子に変換される割合である量子効率として表現され、発光素子の内部で発生した光子に着目した割合を内部量子効率、発光素子の外部に放出された光子に着目した割合を外部量子効率という。
上記の問題について具体的に説明する。図８は、窒化物半導体発光素子のピーク発光波長と外部量子効率との関係を表したグラフである。なお、図８は、非特許文献１に記載されているグラフであり、様々な企業や研究機関が学術論文等で報告したデータを集積したものである。また、図８のグラフの横軸はピーク発光波長であり、縦軸は外部量子効率である。また、図８では、図面の説明の便宜上、非特許文献１に記載されているグラフに対して、厳密な近似曲線ではないが点全体の傾向を表す曲線を加筆して表示している。
図８に示すように、ピーク発光波長が３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子は、周囲のピーク発光波長と比較して外部量子効率が局所的に低くなっている。また、ピーク発光波長が２８５ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子は、ピーク発光波長が短くなるにつれて外部量子効率が急峻に低くなる。一般的に、ピーク発光波長が３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子は、発光層がＡｌＧａＮ系半導体やＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子であり、ピーク発光波長が２８５ｎｍ以下の窒化物半導体発光素子は、発光層がＡｌＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子である。
発光層がＡｌＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子については、本願発明者らの鋭意検討によって、Ｇａの偏析を利用することで発光強度を高めて外部量子効率を向上させることが可能であることが分かっている（特許文献１参照）。このＧａの偏析とは、ＩＩＩ−Ｖ属半導体であるＡｌＧａＮでは、ＡｌとＧａが共に結晶構造中のＩＩＩ族サイトに入って配置されるところ、半導体層の成長方向に対して垂直な平面内において、局所的にＧａの割合が大きい（Ａｌの割合が少ない）領域を形成することである。
Ｍｉｃｈａｅｌ Ｋｎｅｉｓｓｌ，"Ａ Ｂｒｉｅｆ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＩＩＩ−Ｎｉｔｒｉｄｅ ＵＶ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＩＩＩ−Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｅｍｉｔｔｅｒｓ，Ｃｈａｐｔｅｒ １，２０１６
しかし、発光層がＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子は、発光層がＡｌＧａＮ系半導体で構成されている窒化物半導体発光素子とは異なり、ＩＩＩ族サイトにＧａしか配置されないため偏析が生じ得ず、特許文献１と同様の原理を利用して外部量子効率を向上させることはできないため、問題となる。
そこで、本発明は、外部量子効率が向上した、ＧａＮ系半導体で構成された発光層を有する窒化物半導体発光素子を提供する。
少なくともｎ型層、活性層及びｐ型層を含む複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を備え、前記ｎ型層及び前記ｐ型層の間に配置される前記活性層は、ＧａＮ系半導体で構成された井戸層を少なくとも１つ含む量子井戸構造を有し、前記井戸層は、前記ｎ型層側の第１面と前記ｐ型層側の第２面との間の最短距離が、前記窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内において変動しており、前記発光素子構造部から出射される光のピーク発光波長が、３５４ｎｍよりも短いことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。
この窒化物半導体発光素子によれば、井戸層において、窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内に効率良く発光可能な部分を生じさせて、当該部分で発光させることができる。
なお、３５４ｎｍとは、量子井戸構造の井戸層をＧａＮ系半導体で構成して、窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内において井戸層の厚さ（上記最短距離）を変動させない場合のピーク発光波長である。ピーク発光波長が３５４ｎｍよりも短ければ（短波長側にシフトしていれば）、窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内において井戸層の厚さを変動させたことによる量子閉じ込め効果の変動が、有効に作用していると言える。
例えば、上記特徴の窒化物半導体発光素子において、前記発光素子構造部から出射される光の発光スペクトルが、３３９ｎｍ以上３４３ｎｍ未満の第１ピークと、３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満の第２ピークと、３４９ｎｍ以上３５３ｎｍ以下の第３ピークと、の少なくとも２つが一体化されて成る合成ピークを有していてもよい。
特に、上記特徴の窒化物半導体発光素子において、前記合成ピークの半値全幅が１０ｎｍ以下であってもよい。また、上記特徴の窒化物半導体発光素子において、前記発光スペクトルが、前記第１ピーク及び前記第２ピークが一体化されて成る前記合成ピークを有し、ピーク発光波長が３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満であってもよい。
これらの窒化物半導体発光素子によれば、ピーク発光波長の発光強度を向上させることができる。
また、上記特徴の窒化物半導体発光素子において、前記発光スペクトルが、前記発光素子構造部から出射される光の発光スペクトルが、３３９ｎｍ以上３４３ｎｍ未満の第１ピークと、３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満の第２ピークと、３４９ｎｍ以上３５３ｎｍ以下の第３ピークと、の少なくとも２つを有していてもよい。
また、上記特徴の窒化物半導体発光素子において、サファイア基板を含む下地部を、さらに備え、前記サファイア基板は、（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した主面を有し、当該主面の上方に前記発光素子構造部が形成されており、少なくとも前記サファイア基板の前記主面から前記活性層の表面までの各層が、多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であってもよい。
この窒化物半導体発光素子によれば、オフ角を有するサファイア基板を用いて、サファイア基板の主面から活性層の表面までの各層の表面に多段状のテラスが表出するようにエピタキシャル成長を行うだけで、容易に井戸層の水平面内における厚さを変動させることができる。さらに、キャリア拡散長と同程度かそれよりも短い数ｎｍ〜数十ｎｍの周期で、井戸層の厚さを窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内で変動させることができるため、井戸層内の効率良く発光可能な部分にキャリアを確実に送り込むことができる。
上記特徴の窒化物半導体発光素子によれば、井戸層において、窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内に効率良く発光可能な部分を生じさせて当該部分で発光させることができるため、外部量子効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態を説明するにあたり、サファイア基板を含む下地部と、当該下地部上に積層された複数の複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部とを備えた発光ダイオードである窒化物半導体発光素子を例示する。
なお、本願において、ＡｌＧａＮ系半導体とは、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮまたはＧａＮ、あるいは、これらに微量の不純物（例えば、ＳｉやＭｇ、Ｉｎなど）が含まれた半導体を意味し、必要に応じてＡｌ及びＧａに対して添字を用いることでＡｌ及びＧａの相対的な組成比を表す（例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）。また、本願において、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮまたはＧａＮに微量の不純物（例えば、ＳｉやＭｇ、Ｉｎなど）が含まれた半導体を意味し、原則としてＡｌは含まれないが、不純物レベルでＡｌがＧａＮに含まれる場合もＧａＮ系半導体に含まれるものとする。また、本願において、ｐ型及びｎ型の両方を記載していない半導体層はアンドープの半導体層を意味するが、アンドープの半導体層であっても不可避的に混入する程度の微量の不純物は含まれ得る。
＜窒化物半導体発光素子＞
最初に、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造の一例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図である。図２は、図１に示す窒化物半導体発光素子を図１の上側から見た場合の構造の一例を模式的に示した平面図である。なお、図１では、図示の都合上、基板、窒化物半導体層及び電極の厚さ（図中の上下方向の長さ）を模式的に示しているため、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。
最初に、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造の一例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図である。図２は、図１に示す窒化物半導体発光素子を図１の上側から見た場合の構造の一例を模式的に示した平面図である。なお、図１では、図示の都合上、基板、窒化物半導体層及び電極の厚さ（図中の上下方向の長さ）を模式的に示しているため、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１は、サファイア基板１１を含む下地部１０と、複数の窒化物半導体層２１〜２４及び電極２５，２６を含む発光素子構造部２０とを備える。この窒化物半導体発光素子１は、実装用の基台に対して発光素子構造部２０側（図１における図中上側）を向けて実装される（フリップチップ実装される）ものであり、光の取出方向は下地部１０側（図１における図中下側）である。
下地部１０は、（０００１）面に対して所定の角度（オフ角）だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板１１と、サファイア基板１１の主面１１ａに直接形成されたＡｌＮ層１２とを備える。
ここで、サファイア基板１１の主面１１ａの状態について、図面を参照して説明する。図３は、原子レベルまで拡大したサファイア基板の主面の状態を模式的に示した斜視図である。なお、図３では、説明の理解を容易にするために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。
図３に示すように、サファイア基板１１の主面には多段状のテラスＴが形成される。これは、サファイアのバルク単結晶を、（０００１）面に対して微小に傾斜した角度（即ち、オフ角θ）で切り出した場合、切り出し方向に沿って（０００１）面が表出するからである。なお、オフ角θの大きさや、オフ角を設ける方向（具体的には、（０００１）面を傾ける方向であり、例えばｍ軸方向やａ軸方向など）は、サファイア基板１１上の各層において所望の成長が実現される限りにおいて、任意に決定してもよい。
ＡｌＮ層１２は、サファイア基板１１の主面からエピタキシャル成長したＡｌＮ結晶で構成され、このＡｌＮ結晶はサファイア基板１１の主面１１ａに対してエピタキシャルな結晶方位関係を有している。具体的に例えば、サファイア基板１１のＣ軸方向（＜０００１＞方向）とＡｌＮ結晶のＣ軸方向が揃うように、ＡｌＮ結晶が成長する。なお、ＡｌＮ層１２を構成するＡｌＮ結晶が、微量のＧａやその他の不純物を含んでいてもよい。また、ＡｌＮ層１２の上面に、ＡｌαＧａ１−αＮ（１＞α＞０）系半導体で構成された層がさらに形成されていてもよい。
発光素子構造部２０は、下地部１０側から順に、ｎ型クラッド層２１（ｎ型層）、活性層２２、電子ブロック層２３（ｐ型層）及びｐ型コンタクト層（ｐ型層）２４を順にエピタキシャル成長させて積層した構造を備えている。
ｎ型クラッド層２１は、ｎ型のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（１≧Ｘ＞０）系半導体で構成される。活性層２２は、ＧａＮ系半導体で構成された井戸層２２ｂ（発光層）と、ＡｌＹＧａＹＮ（Ｘ≧Ｙ＞０）系半導体で構成された障壁層２２ａとのそれぞれを、１層以上交互に積層した単一または多重量子井戸構造である。電子ブロック層２３は、ｐ型のＡｌＺＧａ１−ＺＮ（１≧Ｚ＞Ｙ）系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型のＡｌＱＧａ１−ＱＮ（Ｚ＞Ｑ≧０）系半導体で構成される。
さらに、発光素子構造部２０は、例えばＮｉ／Ａｕで構成されてｐ型コンタクト層２４の上面に形成されるｐ電極２５と、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕで構成されてｎ型クラッド層２１が露出している一部の領域においてｎ型クラッド層２１の上面に形成されるｎ電極２６とを備えている。このｐ電極２５から正孔が供給されるとともにｎ電極２６から電子が供給されるように通電すると、供給された正孔及び電子のそれぞれが活性層２２に到達して再結合することで発光する。
次に、図１に例示した窒化物半導体紫外線発光装置１の製造方法の一例について説明する。
まず、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により、下地部１０に含まれるＡｌＮ層１１及び発光素子構造部２０に含まれる窒化物半導体層２１〜２４を、サファイア基板１１上に順番にエピタキシャル成長させて積層する。このとき、ｎ型の層にはドナー不純物として例えばＳｉをドープし、ｐ型の層にはアクセプタ不純物として例えばＭｇをドープする。
ただし、少なくともサファイア基板１１の主面１１ａから活性層２２の表面までの各層（ＡｌＮ層１１及び窒化物半導体層２１，２２）は、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスが表出するように（テラスが埋め尽くされて表面が平坦になることがないように）、エピタキシャル成長を行う。例えば、ＡｌＮ層１１及び窒化物半導体層２１，２２の表面に、高さの平均値が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である段差が生じるように、エピタキシャル成長を行う。また例えば、活性層２２の表面における算術平均粗さＲａが、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下になるように、エピタキシャル成長を行う。
このようなエピタキシャル成長の条件として、例えば、サファイア基板１１のオフ角が一定の範囲内（例えば、０°から数度程度まで）で大きいことや、テラスが表出し易い成長速度（具体的に例えば、成長温度、原料やキャリアガスの供給量や流速などの諸条件を適宜設定することで、当該成長速度を達成する）などが挙げられる。なお、これらの条件は、成膜装置の種類や構造によって異なり得るため、成膜装置において実際にいくつかの試料を作製して、これらの条件を特定すればよい。
次に、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法により、上記のように積層した半導体層の一部の領域を選択的にエッチングして、当該領域のｎ型クラッド層２１を露出させる。そして、電子ビーム蒸着法などの周知の成膜法により、エッチングされていない領域内のｐ型コンタクト層２４上にｐ電極２５を形成するとともに、エッチングされた領域内のｎ型クラッド層２１上にｎ電極２６を形成する。なお、ｐ電極２５及びｎ電極２６の一方または両方の形成後に、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）などの周知の熱処理方法により熱処理を行ってもよい。
なお、窒化物半導体発光素子１は、サブマウントにフリップチップ実装された後、シリコーン樹脂や非晶質フッ素樹脂などの所定の樹脂（例えば、レンズ形状の樹脂）によって封止された状態で使用され得る。
＜活性層の構造及び発光スペクトル＞
次に、上述した活性層２２について図面を参照して説明する。図４は、活性層の構造の一例を模式的に示した要部断面図である。
次に、上述した活性層２２について図面を参照して説明する。図４は、活性層の構造の一例を模式的に示した要部断面図である。
図４に示すように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１が備える活性層は、障壁層２２ａ及び井戸層２２ｂのそれぞれの表面が多段状になっている。さらに、上述のように、少なくともＡｌＮ層１１及び窒化物半導体層２１，２２を、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスが表出するようにエピタキシャル成長させると、テラスの側面が優先的に成長する。すると、井戸層２２ｂにおいて、ｎ型クラッド層２１側の第１面２２ｂ１とその反対側であるｐ型コンタクト層２４側の第２面２２ｂ２との間の最短距離が、窒化物半導体層２１，２２の積層方向に対して垂直な平面内（以下、「水平面内」という）において変動する。換言すると、井戸層２２ｂの厚さが、水平面内において変動する。具体的に、テラスの側面部分における最短距離（厚さ）Ｌ１は、テラス部分における最短距離（厚さ）Ｌ２よりも大きくなる。
図４に示すような構造の井戸層２２ｂの場合、水平面内における厚さの変動に応じて量子閉じ込め効果が変動し得る。そのため、井戸層２２ｂにおいて、水平面内に効率良く発光可能な部分を生じさせて当該部分で発光させることが可能になり、外部量子効率を向上させることができる。例えば、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１では、樹脂封止する前の状態で外部量子効率を３％以上に向上させることが可能である。
ここで、図４に示す活性層を有する窒化物半導体発光素子の発光スペクトルについて、図面を参照して説明する。図５は、図４に示す活性層を有する窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示すスペクトル図である。また、図６は、図５の発光強度が大きい波長付近を拡大したスペクトル図である。また、図７は、図６における主要な発光スペクトルを選択的に示したスペクトル図である。なお、図５〜図７に示すスペクトル図は、１つのウエハから得られる複数の窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを重畳して表示したものであり、１本の線が１つの窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを表している。また、図５〜図７に示す発光スペクトルは、樹脂封止する前の状態である窒化物半導体発光素子１の発光スペクトルである。
図５〜図７に示すように、図４に示す活性層を有する窒化物半導体発光素子の発光スペクトルには、量子閉じ込め効果の大小に応じた複数のピークが含まれている。これらのピークは、離れて併存していたり、一体化して合成ピークを構成していたりする。合成ピークとは、見かけ上は１つに見えるピークであり、例えば発光強度が最大となる波長（ピーク発光波長）の他に明確な極大値を有しないピークである。
図５〜図７に示す発光スペクトルは、分離した複数のピークを有するパターン（例えば図７の発光スペクトルＳ１）と、１つの合成ピークを有するパターン（例えば図７の発光スペクトルＳ２〜Ｓ４）に大別することができる。このうち、分離した複数のピークを有するパターンの多くには、３５０ｎｍ〜３５２ｎｍ付近のピークと、３４０ｎｍ〜３４２ｎｍ付近のピークが含まれている。また、１つの合成ピークを有するパターンには、３４０ｎｍ〜３４２ｎｍ付近に最大のピークを有するとともに３４４ｎｍ付近にピークの名残である肩が見られるもの（例えば図７の発光スペクトルＳ３）や、３４４ｎｍ〜３４８ｎｍ付近に最大のピークを有するとともに３４２ｎｍ付近にピークの名残である肩が見られるもの（例えば図７の発光スペクトルＳ２，Ｓ４）がある。
したがって、図５〜図７に示す発光スペクトルに含まれるピークは、概ね、３３９ｎｍ以上３４３ｎｍ未満の第１波長範囲Ａ１に含まれる第１ピークと、３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満の第２波長範囲Ａ２に含まれる第２ピークと、３４９ｎｍ以上３５３ｎｍ以下の第３波長範囲Ａ３に含まれる第３ピークに分類することができる。
分離した複数のピークを有するパターンの発光スペクトルは、発光波長がばらついているため、合成ピークを有する発光スペクトルと比較して、発光強度の最大値が小さくなる傾向がある。したがって、井戸層２２ｂの厚さを水平面内において変動させることで外部量子効率の向上を図った窒化物半導体発光素子１において、出射する光の発光スペクトルが合成ピークを有するように構成することで、ピーク発光波長の発光強度を向上させることができる。だだし、分離した複数のピークを有する発光スペクトルの光を出射する窒化物半導体発光素子１であっても、効率良く発光すること自体は可能であるため、用途に応じて使用することは可能である。
また、合成ピークを有する発光スペクトルにおいて、当該合成ピークを形成する複数のピークの一体性を高くすることで、発光強度を向上させることができる。特に、合成ピークの半値全幅（FWHM：Full Width at Half Maximum）が１０ｎｍ以下になるまで複数のピークの一体性を高めることで、ピーク発光波長の発光強度を向上させることができる。
例えば、図７に示す発光スペクトルＳ２，Ｓ４は、共に第１ピーク及び第２ピークが一体化されて成る合成ピークを有している。発光スペクトルＳ２は、第１ピークに由来する肩が大きく、半値全幅は１１．８ｎｍである。発光スペクトルＳ４は、発光スペクトルＳ２よりも肩が小さく、半値全幅は９．１ｎｍである。この発光スペクトルＳ４が有する合成ピークは、半値全幅が１０ｎｍ以下であり、発光スペクトルＳ２の合成ピークと比較して一体性が高くピーク発光波長の発光強度が大きい。
また、合成ピークを有する発光スペクトルにおいて、第１ピーク及び第２ピークが一体化されて成る合成ピークを有し、ピーク発光波長が第２波長範囲Ａ２（３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満）に含まれるようにすることで、ピーク発光波長の発光強度を向上させることができる。
例えば、図７に示す発光スペクトルＳ３，Ｓ４は、共に第１ピーク及び第２ピークが一体化されて成る合成ピークを有しているが、発光スペクトルＳ３のピーク発光波長は第１波長範囲Ａ１（３３９ｎｍ以上３４３ｎｍ未満）に含まれており、発光スペクトルＳ４のピーク発光波長は第２波長範囲Ａ２（３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満）に含まれている。この発光スペクトルＳ４が有する合成ピークは、発光スペクトルＳ２の合成ピークと比較して、ピーク発光波長の発光強度が大きい。
なお、窒化物半導体発光素子１が出射する光の発光スペクトルが合成ピークを有するか否かは、量子閉じ込め効果のばらつきの仕方によって決まる。即ち、活性層２２の表面状態（段差の数、密度、高さなど）によって決まる。そのため、使用する成膜装置におけるエピタキシャル成長の条件を適宜設定して活性層２２の表面状態を制御することで、出射する光の発光スペクトルが合成ピークを有する窒化物半導体発光素子１を選択的に製造することができる。また、出射する光の発光スペクトルが合成ピークを有する窒化物半導体発光素子１を、１枚のウエハからできるだけ多く得ることができる。
ところで、特許文献１で提案されている窒化物半導体発光素子のように、ＡｌＧａＮ系半導体で構成された発光層においてＧａの偏析を生じさせた場合、Ｇａの偏析の程度が大きくなるほど、ピーク発光波長が長波長側にシフトする。これに対して、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１は、井戸層２２ｂがＧａＮ系半導体で構成されているため、Ｇａの偏析は生じ得ない。さらに、量子井戸構造の井戸層をＧａＮ系半導体で構成して水平面内における厚さを変動させない場合、ピーク発光波長は３５４ｎｍ程度になるが（特許文献１の図１７参照）、図５〜図７に示したように本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１のピーク発光波長は３５４ｎｍよりも短くなっており、短波長側にシフトしている。
このように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１における外部量子効率の向上の原理（量子閉じ込め効果の水平面内における変動）は、特許文献１で提案されているような窒化物半導体発光素子における原理（Ｇａの偏析）と明確に異なる。そして、井戸層２２ｂがＧａＮ系半導体で構成されており、ピーク発光波長が３５４ｎｍよりも短ければ（短波長側にシフトしていれば）、井戸層２２ｂの厚さを水平面内で変動させたことによる量子閉じ込め効果の変動が、有効に作用していると言える。
＜変形等＞
上述の実施形態では、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスを利用して、井戸層２２ｂの水平面内における厚さを変動させる場合について例示したが、他の方法で井戸層２２ｂの水平面内における厚さを変動させてもよい。
上述の実施形態では、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスを利用して、井戸層２２ｂの水平面内における厚さを変動させる場合について例示したが、他の方法で井戸層２２ｂの水平面内における厚さを変動させてもよい。
例えば、サファイア基板の主面、または、サファイア基板の主面から活性層の直前の層までのいずれかの層の表面に凹凸を形成しても、井戸層の水平面内における厚さを変動させることは可能である。この凹凸を形成する方法として、例えば、ナノインプリント、干渉縞露光、電子ビーム露光、ステッパー等によるパターニングによって、ＳｉＯ２等のマスクを形成したり、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法によりエッチングしたりすることが考えられる。
一方、上述の実施形態のように、サファイア基板１１の主面１１ａに由来する多段状のテラスを利用する方法であれば、オフ角を有するサファイア基板１１を用いて、ＡｌＮ層１１及び窒化物半導体層２１，２２の表面に多段状のテラスが表出するようにエピタキシャル成長を行うだけで、容易に井戸層２２ｂの水平面内における厚さを変動させることができる。また、キャリア拡散長と同程度かそれよりも短い数ｎｍ〜数十ｎｍの周期で、井戸層２２ｂの水平面内における厚さを変動させることができるため、井戸層２２ｂ内の効率良く発光可能な部分にキャリアを確実に送り込むことができる。
上述の実施形態では、サファイア基板１１を含む下地部１０を備える窒化物半導体発光素子１を例示しているが、サファイア基板１１（さらには、下地部１０に含まれる一部または全部の層）をリフトオフしてもよい。
また、上述の実施形態では、窒化物半導体発光素子１を、樹脂封止していない状態（ベアチップ）として例示した上で、その状態における発光スペクトル（図５〜図７）を示しているが、発光スペクトルの形状に大きな影響を与えない（例えば、ピークを消滅させたり新たなピークを創出したりしない）樹脂で封止した状態も、本発明の窒化物半導体発光素子に含まれ得る。
本発明は、ＧａＮ系半導体で構成された発光層を有する窒化物半導体発光素子に利用可能である。
１ 窒化物半導体発光素子
１０ 下地部
１１ サファイア基板
１１ａ 主面
１２ ＡｌＮ層
２０ 発光素子構造部
２１ ｎ型クラッド層（ｎ型層）
２２ 活性層
２２ａ 障壁層
２２ｂ 井戸層
２２ｂ１ 第１面
２２ｂ２ 第２面
２３ 電子ブロック層（ｐ型層）
２４ ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
２５ ｐ電極
２６ ｎ電極
Ａ１〜Ａ３ 第１〜第３波長範囲
Ｓ１〜Ｓ４ 発光スペクトル
Ｔ テラス
１０ 下地部
１１ サファイア基板
１１ａ 主面
１２ ＡｌＮ層
２０ 発光素子構造部
２１ ｎ型クラッド層（ｎ型層）
２２ 活性層
２２ａ 障壁層
２２ｂ 井戸層
２２ｂ１ 第１面
２２ｂ２ 第２面
２３ 電子ブロック層（ｐ型層）
２４ ｐ型コンタクト層（ｐ型層）
２５ ｐ電極
２６ ｎ電極
Ａ１〜Ａ３ 第１〜第３波長範囲
Ｓ１〜Ｓ４ 発光スペクトル
Ｔ テラス
Claims (6)
- 少なくともｎ型層、活性層及びｐ型層を含む複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を備え、
前記ｎ型層及び前記ｐ型層の間に配置される前記活性層は、ＧａＮ系半導体で構成された井戸層を少なくとも１つ含む量子井戸構造を有し、
前記井戸層は、前記ｎ型層側の第１面と前記ｐ型層側の第２面との間の最短距離が、前記窒化物半導体層の積層方向に対して垂直な平面内において変動しており、
前記発光素子構造部から出射される光のピーク発光波長が、３５４ｎｍよりも短いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記発光素子構造部から出射される光の発光スペクトルが、３３９ｎｍ以上３４３ｎｍ未満の第１ピークと、３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満の第２ピークと、３４９ｎｍ以上３５３ｎｍ以下の第３ピークと、の少なくとも２つが一体化されて成る合成ピークを有してい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。
- 前記合成ピークの半値全幅が１０ｎｍ以下であ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。
- 前記発光スペクトルが、前記第１ピーク及び前記第２ピークが一体化されて成る前記合成ピークを有し、ピーク発光波長が３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２または３に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記発光スペクトルが、前記発光素子構造部から出射される光の発光スペクトルが、３３９ｎｍ以上３４３ｎｍ未満の第１ピークと、３４３ｎｍ以上３４９ｎｍ未満の第２ピークと、３４９ｎｍ以上３５３ｎｍ以下の第３ピークと、の少なくとも２つを有してい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。
- サファイア基板を含む下地部を、さらに備え、
前記サファイア基板は、（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した主面を有し、当該主面の上方に前記発光素子構造部が形成されており、
少なくとも前記サファイア基板の前記主面から前記活性層の表面までの各層が、多段状のテラスが形成された表面を有するエピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
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