WO2011021264A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子 Download PDF

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浩一 橘
肇 名古
年輝 彦坂
真也 布上
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株式会社 東芝
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Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode.
  • Nitride III-V compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) are semiconductors having a wide band gap. Therefore, taking advantage of these characteristics, high-intensity ultraviolet to blue / green light emitting diodes (LEDs) and blue-violet to blue laser diodes (LDs) using these semiconductors have been developed.
  • LEDs blue / green light emitting diodes
  • LDs blue-violet to blue laser diodes
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light-emitting device with high light output and high efficiency, which prevents a decrease in efficiency due to dependency of quantum efficiency on injection current.
  • a first aspect of the present invention includes a pair of p-type and n-type clad layers formed on a substrate and a single quantum well structure or multiple quantum sandwiched between the clad layers.
  • the active layer includes a quantum well layer and a pair of barrier layers having a band gap larger than that of the quantum well layer and sandwiching the quantum well layer therebetween.
  • Each of the pair of barrier layers includes, in order from the quantum well layer side, a first sub-barrier layer composed of In y1 Ga 1-y1 N and a second sub-barrier composed of In y2 Ga 1-y2 N.
  • a second aspect of the present invention includes a pair of p-type and n-type clad layers formed on a substrate, and an active layer having a single quantum well structure or a multiple quantum well structure sandwiched between the clad layers.
  • the active layer includes a quantum well layer and a pair of barrier layers sandwiching the quantum well layer and having a band gap larger than that of the quantum well layer, and each of the pair of barrier layers Are, in order from the quantum well layer side, a first sub-barrier layer composed of In y1 Ga 1-y1-x1 Al x1 N, and a second sub-barrier composed of In y2 Ga 1-y2-x2 Al x2 N
  • a nitride semiconductor light emitting device with high light output and high efficiency is provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor light emitting device according to Examples 1 and 2.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the band gap of the active layer in the semiconductor light emitting devices according to Examples 1 and 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the quantum efficiency and the injection current for the blue LEDs according to Examples 1 and 2 and the blue LED having a barrier layer outside the scope of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the energy level of the conduction band of the barrier layer A in the blue LEDs according to Examples 1 and 2.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the energy level of the conduction band of the barrier layer B having a two-layer structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor light emitting device according to Examples 1 and 2.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the band gap of the active layer in the semiconductor light emitting devices according to Examples 1 and 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the quantum
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing energy levels of the conduction band of the barrier layer C having a three-layer structure in which the band gap is opposite to that of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the energy level of the conduction band of the barrier layer D having a single layer structure.
  • a nitride semiconductor light emitting device has a double hetero structure in which an active layer having a quantum well structure is sandwiched between a pair of cladding layers of a p-type cladding layer and an n-type cladding layer.
  • the active layer of the quantum well structure has a structure in which the quantum well layer and the quantum well layer are sandwiched between a pair of barrier layers having a band gap larger than that of the quantum well layer.
  • the multi-layer structure includes a first sub-barrier layer, a second sub-barrier layer, and a third sub-barrier layer in order from the quantum well layer side.
  • the quantum well layer is made of, for example, InGaN
  • the pair of barrier layers are made of InGaN ternary nitride or InGaAlN quaternary nitride having a composition different from that of the quantum well layer.
  • the n-type cladding layer can be formed of n-type GaN
  • the p-type cladding layer can be formed of p-type GaN.
  • the barrier layer having the layer structure having the above composition By using the barrier layer having the layer structure having the above composition, the internal electric field applied to the active layer can be reduced, and as a result, a nitride semiconductor light emitting device with high light output and high efficiency can be obtained.
  • the thickness of the first and third sub-barrier layers when the thickness of the barrier layer is b nm, the thickness of the first and third sub-barrier layers is 0.25 nm or more and less than (b / 2) nm. It can be.
  • the barrier layer has a layer structure having such a film thickness, an effect that the quantum efficiency is excellent even at a high injection current density can be obtained.
  • the film thickness of the first and third sub-barrier layers is less than 0.25 nm, defects occur at the interface between the sub-barrier layer and the quantum well, and the quantum efficiency is lowered. If the film thickness exceeds (b / 2) nm, the entire active layer On the contrary, the quantum efficiency may be reduced due to excessive distortion.
  • the film thickness of the first and third sub-barrier layers can be made smaller than the film thickness of the second sub-barrier layer. By doing so, it is possible to obtain an effect that the quantum efficiency is further improved even at a high injection current density.
  • the film thickness of the first and third sub-barrier layers is equal to or greater than the film thickness of the second sub-barrier layer, quantum efficiency can be reduced.
  • the barrier layer can be doped with n-type impurities. Thereby, the effect that the quantum efficiency is improved as a whole is obtained.
  • the doping amount is preferably about 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the quantum well layer is preferably undoped in order to improve luminous efficiency.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a nitride semiconductor light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 includes an n-type GaN layer 2, an n-type GaN guide layer 3, an active layer 4, a p-type GaN first guide layer 5, a p-type GaAlN layer (electron overflow prevention layer 6). ), A p-type GaN second guide layer 7 and a p-type GaN contact layer 8 are sequentially stacked.
  • An n-electrode 12 is formed on the n-type GaN layer 2 and a p-electrode 11 is formed on the p-type GaN contact layer 8.
  • the active layer 4 has a double heterostructure sandwiched between an n-type GaN guide layer 3 functioning as an n-type cladding layer and a p-type GaN first guide layer 5 functioning as a p-type cladding layer.
  • the light emitting diode shown in FIG. 1 is manufactured as follows.
  • a buffer layer 1a made of Ga 1-a Al a N (0 ⁇ a ⁇ 1) having a thickness of about 20 nm is formed on a sapphire substrate 1, and then an n-type GaN layer 2 doped with n-type impurities. Is grown to a thickness of about 5000 nm.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • crystal growth may be performed by molecular beam epitaxy (MBE). The same applies to the formation of the following layers.
  • n-type impurity various elements such as Si, Ge, and Sn can be used.
  • Si is used.
  • the Si doping amount may be about 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • sapphire is used as the substrate 1, various materials such as GaN, SiC, Si, and GaAs can be used without being limited thereto.
  • an n-type guide layer 3 made of GaN having a thickness of about 0.1 ⁇ m and doped with n-type impurities, for example, Si of about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 is grown.
  • the growth temperatures for growing the n-type GaN layer 2 and the n-type guide layer 3 are both 1000 to 1100 ° C.
  • an In 0.01 Ga 0.99 N layer having a thickness of about 0.1 ⁇ m may be used instead of the GaN layer.
  • the growth temperature when forming the In 0.01 Ga 0.99 N layer can be 700 to 800 ° C.
  • a quantum well layer 4a made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of about 2.5 nm and In y Ga 1 ⁇ having a thickness of about 12.5 nm are formed.
  • An active layer 4 having a structure is formed.
  • the growth temperature is 700 to 800.degree.
  • the wavelength of photoluminescence at room temperature is designed to be 450 nm.
  • the barrier layer 4b is in contact with the left quantum well layer 4a having a film thickness of 2 nm, and the first sub-barrier layer 4b 1 (In 0. 02 Ga 0.98 N layer) and a second sub-barrier layer 4b 2 (In 0.05 Ga 0 ) having a thickness of 8.5 nm and not in contact with the quantum well layer 4a and having an In composition of 0.05. .95 N layer) and a third sub-barrier layer 4b 3 (In 0.02 Ga 0.98 N layer having an In composition of 0.02 in contact with the right quantum well layer 4a having a thickness of 2 nm. ).
  • the first to third sub-barrier layers 4b 1 , 4b 2 , 4b 3 may be doped with n-type impurity Si by about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or undoped.
  • the quantum well layer 4a is preferably undoped in order to improve the light emission efficiency.
  • a p-type first guide layer 5 made of GaN is grown on the active layer 4.
  • the film thickness of the p-type first guide layer 5 may be about 30 nm.
  • the temperature for growing GaN is 1000 to 1100 ° C.
  • various elements such as Mg and Zn can be used, but here, Mg is used.
  • the Mg doping amount may be about 4 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • an In 0.01 Ga 0.99 N layer having a thickness of about 30 nm may be used as the p-type first guide layer.
  • the growth temperature when forming In 0.01 Ga 0.99 N is 700 to 800 ° C.
  • Ga 0.8 Al 0.2 N having a thickness of about 10 nm doped with Mg as a p-type impurity is grown as the electron overflow prevention layer 6.
  • the Mg doping amount may be about 4 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the growth temperature of Ga 0.8 Al 0.2 N is 1000 to 1100 ° C.
  • a p-type GaN second guide layer 7 doped with about 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 of Mg is grown on the electron overflow prevention layer 6.
  • the film thickness of the second guide layer 7 may be about 50 nm.
  • the temperature for growing GaN is 1000 to 1100 ° C.
  • a light-emitting diode is finally produced by performing the following device process on the structure in which the crystal growth is performed as described above and the multilayer film is formed.
  • a p-type electrode 11 made of, for example, a composite film of palladium-platinum-gold (Pd / Pt / Au) is formed on the p-type GaN contact layer 8.
  • Pd has a thickness of 0.05 ⁇ m
  • Pt has a thickness of 0.05 ⁇ m
  • Au has a thickness of 0.05 ⁇ m.
  • the p-type electrode 11 may be a transparent electrode made of indium tin oxide (ITO) or a reflective electrode made of silver (Ag).
  • the n-type electrode 12 is made of, for example, a composite film of titanium-platinum-gold (Ti / Pt / Au).
  • the composite film can be, for example, a Ti film having a thickness of about 0.05 ⁇ m, a Pt film having a thickness of about 0.05 ⁇ m, and an Au film having a thickness of about 1.0 ⁇ m.
  • a curve A shows the relationship between the current and the quantum efficiency in the blue LED according to this example provided with the barrier layer A composed of the first to third sub-barrier layers as shown in FIG.
  • Curve B is provided with a barrier layer B having a two-layer structure of an In 0.02 Ga 0.98 N layer having a thickness of 2 nm and an In 0.05 Ga 0.95 N layer having a thickness of 10.5 nm.
  • the relationship between the current and the quantum efficiency in the LED having the same structure as that of the blue LED according to this example is shown.
  • Curve C In 0.05 Ga 0.95 N layer having a thickness of 2nm, In 0.02 Ga 0.98 N layer having a thickness of 8.5 nm, and a thickness of 2nm In 0.05 Ga 0.95 N
  • the relationship between the current and the quantum efficiency in the LED having the same structure as that of the blue LED according to this example is shown except that the barrier layer C having a three-layer structure is provided.
  • Curve D is an LED having the same structure as that of the blue LED according to the present embodiment, except that the barrier layer D is a single layer of In 0.02 Ga 0.98 N layer having a thickness of 12.5 nm.
  • the energy levels of the conduction bands of the barrier layers A, B, C and D are shown in FIGS. 4, 5, 6 and 7, respectively.
  • the quantum efficiency does not decrease so much even in a high current region of 50 mA or more.
  • a sub-barrier layer (first sub-barrier layer 4b 2 ) with a small amount of In
  • a sub-barrier layer with a large amount of In (second sub-barrier layer 4b 1 )
  • a sub-barrier layer with a small amount of In (third)
  • the sub-barrier layer 4b 3 ) has a three-layer structure, and a sub-barrier layer (first sub-barrier layer 4b 1 ) with a small amount of In is interposed between the quantum well layer 4a and the second sub-barrier layer 4b 1 ). This is considered to be due to the fact that the piezoelectric polarization was reduced and the internal electric field applied to the active layer was reduced.
  • an LED using a barrier layer having a two-layer structure of a sub-barrier layer with a small amount of In and a sub-barrier layer with a large amount of In as shown by curve B, in a high current region of 50 mA or more as in curve A.
  • the quantum efficiency is not so low, but the quantum efficiency is lower than that of the LED according to the present embodiment.
  • an LED using a three-layer barrier layer in which a sub-barrier layer with a large amount of In, a sub-barrier layer with a small amount of In, and a sub-barrier layer with a large amount of In are stacked in this order is shown by curve C.
  • the quantum efficiency is greatly reduced in a high current region of 50 mA or more.
  • an LED using a barrier layer having a single-layer structure has a tendency similar to that of the curve C as shown by the curve D, but the quantum efficiency is lower than that.
  • Example 1 As a barrier layer 4b, and the first sub-barrier layer 4b 1 made of In 0.02 Ga 0.98 N, and the second sub-barrier layer 4b 2 made of In 0.05 Ga 0.95 N, A three-layer structure of the third sub-barrier layer 4b 3 (layer) made of In 0.02 Ga 0.98 N was used. Each of these sub-barrier layers used a ternary system of In y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ 1).
  • Example 2 as the barrier layer 4b, the first sub-barrier layer 4b 1 made of In 0.02 Ga 0.97 Al 0.01 N and the In 0.05 Ga 0.94 Al 0.01 A three-layer structure of a second sub-barrier layer 4b 2 made of N and a third sub-barrier layer 4b 3 (layer) made of In 0.02 Ga 0.97 Al 0.01 N was used. That is, each of the sub-barrier layers is made of a quaternary material of In y Ga 1-y x Al x N (0 ⁇ x, y ⁇ 1).
  • a blue LED was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the barrier layer 4b having the above-described layer structure composed of quaternary In y Ga 1-yx Al x N was used. This blue LED was tested for the relationship between current and quantum efficiency. As a result, like the blue LED according to Example 1, this blue LED exhibited excellent performance as shown by a curve A in FIG.
  • this invention is not limited to the said embodiment and Example, A component can be deform
  • various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments and examples. Further, the composition and film thickness described in the above embodiment and examples are also examples, and various selections are possible.
  • the nitride semiconductor light emitting device of the present invention can be suitably used for light emitting devices such as light emitting diodes and laser diodes.

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Abstract

　基板（１）上に一対のクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層（４）を具備し、活性層（４）は、量子井戸層（４ａ）と、この量子井戸層（４ａ）を、量子井戸層（４ａ）よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層（４ｂ）により挟んだ構造を有し、一対のバリア層（４ｂ）のそれぞれは、量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層（４ｂ１）と、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層（４ｂ２）と、Ｉｎｙ３Ｇａ１－ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層（４ｂ３）とを含み、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たす窒化物半導体発光素子。

Description

窒化物半導体発光素子
　本発明は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの窒化物半導体発光素子に関する。
　窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系III－Ｖ族化合物半導体は広いバンドギャップを有する半導体である。そのため、その特徴を活かし、それらの半導体を用いた高輝度の紫外～青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や青紫色～青色レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などが開発されている。
　青色ＬＥＤの高効率化を図るためには、ＧａＮ系半導体の結晶性を高めることが重要である。また、青色ＬＥＤの高光出力を実現するためには注入電流を増やせばよいが、量子効率の注入電流依存性を調べると、低電流領域では効率が高いものの、高電流領域では効率が低下してしまうことが知られている。このことから、高光出力かつ高効率なＬＥＤを実現することが困難であった。
　ＧａＮ系半導体の結晶性を高めるために、ＩｎＧａＮ量子井戸層におけるＩｎ組成を傾斜させる方法があるが（例えば、特許文献１参照）、この方法を用いても、高光出力かつ高効率なＬＥＤを実現することが困難であった。
特開平１１－２６８１２号公報
　本発明は、以上のような事情に鑑みてなされ、量子効率の注入電流依存性による効率低下を防止し、高光出力かつ高効率の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、基板上に形成されたｐ型及びｎ型の一対のクラッド層と、これらクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物半導体発光素子において、前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎｙ３Ｇａ１－ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層を含む多層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たす窒化物半導体発光素子を提供する。
　本発明の第２の態様は、基板上に形成されたｐ型及びｎ型の一対のクラッド層と、これらクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物半導体発光素子において、前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１－ｘ１Ａｌｘ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２－ｘ２Ａｌｘ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎｙ３Ｇａ１－ｙ３－ｘ３Ａｌｘ３Ｎから構成される第３のサブバリア層を含む多層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、ｙ１＝ｙ３、０＜ｘ１,ｘ２,ｘ３＜１の関係を満たす窒化物半導体発光素子を提供する。
　本発明によると、高光出力かつ高効率の窒化物半導体発光素子が提供される。
図１は、実施例１及び２に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 図２は、実施例１及び２に係る半導体発光素子における活性層のバンドギャップを示す模式図である。 図３は、実施例１及び２に係る青色ＬＥＤと、本発明の範囲外のバリア層を備えた青色ＬＥＤについての、量子効率と注入電流の関係を示すグラフである。 図４は、実施例１及び２に係る青色ＬＥＤにおけるバリア層Ａの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。 図５は、２層構造のバリア層Ｂの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。 図６は、本発明とはバンドギャップの広狭が逆の３層構造のバリア層Ｃの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。 図７は、単層構造のバリア層Ｄの伝導帯のエネルギー準位を示す模式図である。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。
　本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、量子井戸構造の活性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の一対のクラッド層により挟んだ、ダブルヘテロ構造を有する。この場合、量子井戸構造の活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層により挟んだ構造を有し、一対のバリア層のそれぞれは、量子井戸層側から順に、第１のサブバリア層、第２のサブバリア層、及び第３のサブバリア層を含む多層構造を有する。
　量子井戸層は、例えばＩｎＧａＮにより形成され、一対のバリア層は、量子井戸層とは組成の異なるＩｎＧａＮの三元系窒化物、又はＩｎＧａＡｌＮの四元系窒化物により形成される。なお、ｎ型クラッド層は、ｎ型ＧａＮにより形成し、ｐ型クラッド層は、ｐ型ＧａＮにより形成することが出来る。
　バリア層が三元系窒化物から形成される場合、一対のバリア層のそれぞれは、量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層と、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層と、Ｉｎｙ３Ｇａ１－ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層とを含み、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たす。
　バリア層が四元系窒化物により形成される場合、一対のバリア層のそれぞれは、量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１－ｘ１Ａｌｘ１Ｎから構成される第１のサブバリア層と、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２－ｘ２Ａｌｘ２Ｎから構成される第２のサブバリア層と、Ｉｎｙ３Ｇａ１－ｙ３－ｘ３Ａｌｘ３Ｎから構成される第３のサブバリア層とを含み、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、ｙ１＝ｙ３、０＜ｘ１,ｘ２,ｘ３＜１の関係を満たす。
　以上のような組成の層構成を有するバリア層を用いることにより、活性層に加わる内部電界を低減することが出来、その結果、高光出力かつ高効率の窒化物半導体発光素子を得ることが出来る。
　本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、バリア層の膜厚をｂｎｍとした場合、第１及び第３のサブバリア層の膜厚を０．２５ｎｍ以上、（ｂ／２）ｎｍ未満とすることが出来る。バリア層をこのような膜厚の層構成とすることにより、高注入電流密度でも量子効率が優れるという効果が得られる。第１及び第３のサブバリア層の膜厚が０．２５ｎｍ未満ではサブバリア層と量子井戸の界面で欠陥が発生し、量子効率が低下してしまい、（ｂ／２）ｎｍを超えると活性層全体に歪がかかりすぎて逆に量子効率低下の事態となり得る。
　また、第１及び第３のサブバリア層の膜厚は、第２のサブバリア層の膜厚よりも小さくすることが出来る。このようにすることにより、高注入電流密度でも量子効率がさらに優れるという効果が得られる。第１及び第３のサブバリア層の膜厚を第２のサブバリア層の膜厚と同一か又はそれ以上とした場合には、量子効率低下となり得る。
　また、バリア層には、ｎ型不純物をドープすることが出来る。それによって、量子効率が全体的に向上するという効果が得られる。ドープ量は、１×１０１７～１×１０１９ｃｍ－３程度がよい。
　なお、量子井戸層は、発光効率向上のため、アンドープであるのが望ましい。
　以下、本発明の具体的実施例について説明する。
　図１は、本発明の第１の実施例に係る窒化物半導体発光ダイオードの断面構造を示す。図１に示す発光ダイオードは、サファイア基板１上に、ｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ＧａＮガイド層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５、ｐ型ＧａＡｌＮ層（電子オーバーフロー防止層６）、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層７、及びｐ型ＧａＮコンタクト層８を順次積層した構造を有する。また、ｎ型ＧａＮ層２上にn電極１２が、ｐ型ＧａＮコンタクト層８上にｐ電極１１がそれぞれ形成されている。即ち、活性層４が、ｎ型クラッド層として機能するｎ型ＧａＮガイド層３と、ｐ型クラッド層として機能するｐ型ＧａＮ第１ガイド層５により挟まれたダブルヘテロ構造を有する。
　図１に示す発光ダイオードは、以下のようにして製造される。
　まず、サファイア基板１上に、約２０ｎｍの膜厚のＧａ１－ａＡｌａＮ（０≦ａ≦１）からなるバッファ層１ａを形成した後、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ層２を約５０００ｎｍの厚さに結晶成長する。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。ＭＯＣＶＤ以外に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により結晶成長を行っても良い。以下の各層の成膜も同様である。
　ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどの種々の元素を用いることが可能であるが、ここではＳｉを用いるものとする。Ｓｉのドーピング量は、２×１０１８ｃｍ－３程度にすれば良い。
　基板１としてサファイアを用いたが、これに限定されることなく、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡs、など様々なものを用いることができる。
　次に、ｎ型ＧａＮ層２の上に、ｎ型不純物、例えばＳｉが１×１０１８ｃｍ－３程度ドープされた、膜厚約０．１μｍのＧａＮからなるｎ型ガイド層３を結晶成長する。ｎ型ＧａＮ層２及びｎ型ガイド層３を成長させる際の成長温度は、いずれも１０００～１１００℃である。また、ｎ型ガイド層としては、ＧａＮ層ではなく、膜厚０．１μｍ程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を用いても良い。Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を形成する場合の成長温度は、７００～８００℃とすることが出来る。
　次に、ｎ型ガイド層３の上に、膜厚２．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる量子井戸層４ａと、膜厚１２．５ｎｍ程度のＩｎｙＧａ１－ｙＮからなるバリア層４ｂを交互に積層し、量子井戸層をはさんでその両側にバリア層４ｂ（４ｂ１,４ｂ２,４ｂ３）を配置した、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の活性層４を形成する。この場合の成長温度は７００～８００℃である。なお、室温におけるフォトルミネッセンスの波長をここでは４５０ｎｍに設計した。
　バリア層４ｂは、たとえば、図２に示すように、膜厚２ｎｍからなる、左側の量子井戸層４ａに接しており、Ｉｎ組成が０．０２である第１のサブバリア層４ｂ１（Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層）と、膜厚８．５ｎｍからなる、量子井戸層４ａに接しておらず、Ｉｎ組成が０．０５である第２のサブバリア層４ｂ２（Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層）と、膜厚２ｎｍからなる、右側の量子井戸層４ａに接しており、Ｉｎ組成が０．０２である第３のサブバリア層４ｂ３（Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層）のような積層構造とすればよい。第１～第３のサブバリア層４ｂ１、４ｂ２、４ｂ３には、ｎ型不純物であるＳｉを１×１０１８ｃｍ－３程度ドープしても良いし、アンドープでも良い。一方、量子井戸層４ａは、発光効率向上のため、アンドープであるのが望ましい。
　次に、活性層４の上に、ＧａＮからなるｐ型第１ガイド層５を成長させる。ｐ型第１ガイド層５の膜厚は３０ｎｍ程度であれば良い。ＧａＮを成長する温度は、１０００～１１００℃である。ｐ型不純物としては、ＭｇやＺｎなど種々の元素を用いることが可能であるが、ここではＭｇを用いるものとする。Ｍｇのドーピング量としては、４×１０１８ｃｍ－３程度であれば良い。また、ｐ型第１ガイド層として、膜厚３０ｎｍ程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を用いても良い。Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを形成する場合の成長温度は７００～８００℃である。
　次に、ｐ型第１ガイド層５の上に、ｐ型不純物としてＭｇがドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎを電子オーバーフロー防止層６として成長させる。Ｍｇのドーピング量としては４×１０１８ｃｍ－３程度であれば良い。Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎの成長温度は１０００～１１００℃である。
　次に、電子オーバーフロー防止層６の上に、Ｍｇが１×１０１９ｃｍ－３程度ドープされたｐ型ＧａＮ第２ガイド層７を成長する。第２ガイド層７の膜厚は、５０ｎｍ程度あれば良い。ＧａＮを成長する温度は１０００～１１００℃である。
　最後に、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ－３程度ドープされた、膜厚６０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層８を成長する。
　以上のように結晶成長を行い、多層膜を成膜した構造に対して、以下のデバイスプロセスを行うことにより、最終的に発光ダイオードが作製される。
　即ち、ｐ型ＧａＮコンタクト層８の上に、例えばパラジウム－白金－金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｐ型電極１１を形成する。例えば、Ｐｄは膜厚０．０５μｍ、Ｐｔは膜厚０．０５μｍ、Ａｕは膜厚０．０５μｍである。また、ｐ型電極１１には、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明電極や、銀（Ａｇ）からなる反射電極を用いてもよい。
　ｐ型電極１１の形成後、得られた構造に選択的にドライエッチングを施し、ｎ型ＧａＮ層２の一部を露出させ、その上にｎ型電極１２を形成する。ｎ型電極１２は、例えば、チタン－白金－金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなる。この複合膜は、例えば、膜厚０．０５μｍ程度のＴｉ膜、膜厚０．０５μｍ程度のＰｔ膜、および膜厚１．０μｍ程度のＡｕ膜とすることが出来る。
　以上のように作製した、本実施例に係る青色ＬＥＤと、他の３種のＬＥＤ（バリア層の層構成又はＩｎ組成が本発明の要件を満たさないもの）について、電流と量子効率との関係を求める試験を行った。その結果を図３に示す。
　図３において、曲線Ａは、上述した図２に示すような第１～第３のサブバリア層からなるバリア層Ａを備えた本実施例に係る青色ＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。曲線Ｂは、膜厚２ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層と膜厚１０．５ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層の２層構造のバリア層Ｂを備えていることを除いて、本実施例に係る青色ＬＥＤと同様の構造のＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。曲線Ｃは、膜厚２ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層、膜厚８．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層、及び膜厚２ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層の３層構造であるバリア層Ｃを備えていることを除いて、本実施例に係る青色ＬＥＤと同様の構造のＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。曲線Ｄは、膜厚１２．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層の単一層であるバリア層Ｄを備えていることを除いて、本実施例に係る青色ＬＥＤと同様の構造のＬＥＤにおける電流と量子効率との関係を示す。
　バリア層Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの伝導帯のエネルギー準位を、それぞれ図４、５、６、及び７に示す。
　図３から、次のことが明らかである。即ち、曲線Ａに示すように、実施例１に係るＬＥＤでは、５０ｍＡ以上の高電流領域においても、量子効率はそれほど低下していない。これは、バリア層４ｂとして、Ｉｎ量の少ないサブバリア層（第１のサブバリア層４ｂ２）、Ｉｎ量の多いサブバリア層（第２のサブバリア層４ｂ１）、及びＩｎ量の少ないサブバリア層（第３のサブバリア層４ｂ３）の３層構造を用い、量子井戸層４ａと第２のサブバリア層４ｂ１）との間にＩｎ量の少ないサブバリア層（第１のサブバリア層４ｂ１）を介在させたことにより、ピエゾ分極が小さくなり、活性層にかかる内部電界を低減できたためと考えられる。
　これに対し、Ｉｎ量の少ないサブバリア層とＩｎ量の多いサブバリア層の２層構造であるバリア層を用いたＬＥＤは、曲線Ｂに示すように、曲線Ａと同様、５０ｍＡ以上の高電流領域においても量子効率はそれほど低下していないが、量子効率は本実施例に係るＬＥＤよりは低い。
　また、本発明とは逆に、Ｉｎ量の多いサブバリア層、Ｉｎ量の少ないサブバリア層、及びＩｎ量の多いサブバリア層の順に積層した３層構造のバリア層を用いたＬＥＤは、曲線Ｃに示すように、５０ｍＡ以上の高電流領域では、量子効率は大きく低下していることがわかる。また、単層構造のバリア層を用いたＬＥＤは、曲線Ｄに示すように、曲線Ｃと同様の傾向であるが、量子効率はそれよりも低い。
　実施例１では、バリア層４ｂとして、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１のサブバリア層４ｂ１と、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる第２のサブバリア層４ｂ２と、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第３のサブバリア層４ｂ３（層）の３層構造を用いた。これらの各サブバリア層はいずれも、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ（０＜ｙ＜１）の三元系を用いた。
　これに対し、実施例２では、バリア層４ｂとして、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９７Ａｌ０．０１Ｎからなる第１のサブバリア層４ｂ１と、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９４Ａｌ０．０１Ｎからなる第２のサブバリア層４ｂ２と、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９７Ａｌ０．０１Ｎからなる第３のサブバリア層４ｂ３（層）の３層構造を用いた。即ち、各サブバリア層はいずれも、ＩｎｙＧａ１－ｙ－ｘＡｌｘＮ（０＜ｘ,ｙ＜１）の四元系材料からなる。
　このように、四元系のＩｎｙＧａ１－ｙ－ｘＡｌｘＮからなる上記層構成のバリア層４ｂを用いたことを除いて、実施例１と同様にして、青色ＬＥＤを製造した。この青色ＬＥＤについて、電流と量子効率との関係を求める試験を行った。その結果、この青色ＬＥＤは、実施例１に係る青色ＬＥＤと同様に、図３の曲線Ａに示すような優れた性能を示した。
　なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態及び実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。また、上記実施形態及び実施例の中で説明した組成や膜厚なども一例であり、種々の選択が可能である。
産業上の利用分野
　本発明の窒化物半導体発光素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子に、好適に用いることが出来る。　

Claims (8)

  1. 　基板上に形成されたｐ型及びｎ型の一対のクラッド層と、これらクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物半導体発光素子において、
    　前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、
    　前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎｙ３Ｇａ１－ｙ３Ｎから構成される第３のサブバリア層を含む多層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、及びｙ１＝ｙ３の関係を満たす窒化物半導体発光素子。
  2. 　前記バリア層の膜厚をｂｎｍとした場合、前記第１及び第３のサブバリア層の膜厚はそれぞれ０．２５ｎｍ以上、（ｂ／２）ｎｍ未満である請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 　前記第１及び第３のサブバリア層の膜厚は、それぞれ第２のサブバリア層の膜厚よりも小さい請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記バリア層には、ｎ型不純物がドープされている請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 　基板上に形成されたｐ型及びｎ型の一対のクラッド層と、これらクラッド層間に挟まれた単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層を具備する窒化物半導体発光素子において、
    　前記活性層は、量子井戸層と、この量子井戸層を間に挟む、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい一対のバリア層とを含み、
    　前記一対のバリア層のそれぞれは、前記量子井戸層側から順に、Ｉｎｙ１Ｇａ１－ｙ１－ｘ１Ａｌｘ１Ｎから構成される第１のサブバリア層、Ｉｎｙ２Ｇａ１－ｙ２－ｘ２Ｎから構成される第２のサブバリア層、及びＩｎｙ３Ｇａ１－ｙ３－ｘ３Ａｌｘ３Ｎから構成される第３のサブバリア層を含む多層構造を有し、０≦ｙ１,ｙ３＜ｙ２＜１、ｙ１＝ｙ３、０＜ｘ１,ｘ２,ｘ３＜１の関係を満たす窒化物半導体発光素子。
  6. 　前記バリア層の膜厚をｂｎｍとした場合、前記第１及び第３のサブバリア層の膜厚はそれぞれ０．２５ｎｍ以上（ｂ／２）ｎｍ未満である請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 　前記第１及び第３のサブバリア層の膜厚は、それぞれ第２のサブバリア層の膜厚よりも小さい請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 　前記バリア層には、ｎ型不純物がドープされている請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
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