WO2012176661A1 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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WO2012176661A1
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indium
gallium nitride
group iii
light
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PCT/JP2012/065010
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Takashi UDAGAWA (宇田川 隆)
Original Assignee
昭和電工株式会社
宇田川　博
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor light-emitting device including a light-emitting layer including a plurality of gallium nitride / indium layers having different indium compositions, and more particularly, a plurality of light having different peak wavelengths corresponding to differences in indium compositions.
  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (English abbreviation: LED).
  • gallium nitride indium (composition formula Ga X In 1-X N: 0 ⁇ X ⁇ 1) has been used as a light-emitting layer for light-emitting elements that emit visible light such as dark green or blue (Patent Document) 1). Further, for example, a Ga 0.4 In 0.6 N layer having a large indium composition to which zinc (element symbol: Zn) is added (doping) has been shown to be useful as a material for red light emission (Patent Document) 1).
  • the light emitting layer may have a super lattice structure using not only a numerically single gallium nitride / indium layer but also a plurality of numerically different gallium nitride / indium layers having different indium compositions.
  • a multiple quantum well English
  • a plurality of multilayer units each including a plurality of gallium nitride / indium layers having a constant indium composition as well layers and a gallium nitride (GaN) layer as barrier layers are stacked.
  • MQW abbreviation
  • nitridation in which impurities are intentionally added (doping) in order to obtain a light emitting layer having excellent electrical conductivity.
  • a gallium / indium layer or a gallium nitride layer may be used (see Non-Patent Document 3).
  • n-type impurities for group III nitride semiconductors such as gallium nitride include silicon (element symbol: Si) (see Patent Document 5), germanium (element symbol: Ge), tellurium (element symbol: Te), and selenium (element Symbol: Se) is exemplified (see Patent Document 6).
  • the light emitting layer may be formed by stacking gallium nitride / indium layers having different indium compositions, due to the difference in concentration of the indium composition. Indium diffusion occurs.
  • a barrier (barrier) simply provided between the gallium nitride / indium layers is used.
  • Layer cannot sufficiently suppress the diffusion of indium. For this reason, even if it is going to obtain the some light from which the peak (peak) wavelength corresponding to the magnitude of an indium composition differs, there exists a problem that the light which has a different peak wavelength cannot be obtained as intended beforehand.
  • An object of the present invention is to solve the problem that even if a plurality of lights having different peak wavelengths corresponding to the size of the indium composition are obtained, light having different peak wavelengths cannot be obtained as intended.
  • the present invention has been made to solve the problems associated with the above-described prior art.
  • the present inventor has found that a conventional barrier layer having a quantum well (abbreviation: QW) structure is a barrier layer against the transport of electrons or holes, so that the diffusion of indium atoms is sufficiently stabilized.
  • QW quantum well
  • a pn-junction group III nitride semiconductor light-emitting device having a first semiconductor layer having a first conductivity type, a light-emitting layer, and a conductivity opposite to the first conductivity type is provided.
  • a laminated semiconductor layer in which a second semiconductor layer having the second conductivity type exhibiting the property is laminated, a first electrode connected to the first semiconductor layer, and a surface of the second semiconductor layer A first gallium nitride indium layer having a first indium composition, wherein the light emitting layer of the stacked semiconductor layer is disposed on a side opposite to a direction in which light emission from the light emitting layer is extracted.
  • a second gallium nitride indium layer having a second indium composition smaller than the first indium composition and disposed closer to the light emission extraction direction than the first gallium nitride indium layer
  • First Gallinitride A material provided between the indium layer and the second gallium nitride / indium layer and having a lattice constant smaller than that of the material constituting the first gallium nitride / indium layer and the second gallium nitride / indium layer.
  • a group III nitride semiconductor light-emitting device comprising a structural unit including an intermediate layer.
  • the structural unit including the first gallium nitride indium layer having the largest indium composition among the first indium compositions in the light emitting layer is disposed in the lowermost layer facing the emission extraction direction of the light emitting layer. It is preferred that The structural unit including the second gallium nitride indium layer having the smallest indium composition in the second indium composition in the light emitting layer is disposed in the uppermost layer facing the light emission extraction direction of the light emitting layer. It is preferred that The intermediate layer in the structural unit includes the first indium composition (X 1 ) of the first gallium nitride indium layer constituting the structural unit and the second indium of the second gallium nitride indium layer.
  • the intermediate layer in the structural unit is preferably composed of a Group III-V compound semiconductor.
  • the Group III-V compound semiconductor is preferably aluminum gallium nitride.
  • the intermediate layer in the structural unit preferably includes a donor impurity composed of an element having an atomic radius smaller than that of the group III element or the group V element. In the intermediate layer, the concentration of the donor impurity is preferably increased according to the thickness of the intermediate layer.
  • a light emitting layer including a gallium nitride / indium layer that emits a plurality of lights having different peak wavelengths corresponding to the concentration difference of the indium composition it is possible to obtain a light emitting layer including a gallium nitride / indium layer that emits a plurality of lights having different peak wavelengths corresponding to the concentration difference of the indium composition. That is, by arranging an intermediate layer between a plurality of gallium nitride / indium layers having different indium compositions to form a light emitting layer, indium is transferred from one gallium nitride / indium layer to another gallium nitride / indium layer. Variations in the indium composition due to penetration are suppressed.
  • Such a light emitting layer can be applied to a multi-wavelength light emitting device that can simultaneously emit a plurality of lights having different peak wavelengths.
  • FIG. 2 is a photoluminescence spectrum from a light emitting layer produced in Example 1.
  • FIG. 2 is a photoluminescence spectrum from a light emitting layer produced in Comparative Example 1.
  • FIG. 2 is a photoluminescence spectrum from a light emitting layer produced in Comparative Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an LED chip 10 as a group III nitride semiconductor light emitting device to which the present embodiment is applied.
  • an LED chip 10 will be described as an example of a group III nitride semiconductor light emitting device.
  • the LED chip 10 includes a substrate 101 and an aluminum nitride (AlN) layer 102 stacked on the substrate 101.
  • the LED chip 10 further includes a laminated semiconductor layer 100 laminated on the aluminum nitride layer 102 and a transparent conductive film 108 formed on the laminated semiconductor layer 100.
  • the laminated semiconductor layer 100 includes, from the aluminum nitride layer 102 side, a lower clad layer 103 made of an n-type semiconductor layer as a first semiconductor layer having the first conductivity type, and a light emitting layer laminated on the lower clad layer 103.
  • the detailed structure of the light emitting layer 104 will be described later.
  • the LED chip 10 includes an n-type ohmic electrode 107 as a first electrode formed on the exposed surface of the semiconductor layer exposed by cutting out a part of the lower cladding layer 103, and almost the surface of the upper cladding layer 106.
  • a p-type electrode 109 is formed as a second electrode formed in a partial region of the transparent conductive film 108 formed on the entire surface.
  • the LED chip 10 of the present embodiment has a structure in which an n-type ohmic electrode 107 as a first electrode and a p-type electrode 109 as a second electrode are formed on the side opposite to the substrate 101. ing.
  • an n-type ohmic electrode 107 is used as a negative electrode and a p-type electrode 109 is used as a positive electrode, and a current is passed through the laminated semiconductor layer 100 (lower clad layer 103 / light emitting layer 104 / upper clad layer 106) through both.
  • the light emitting layer 104 emits light.
  • a metal oxide crystal such as sapphire ( ⁇ -Al 2 O 3 single crystal) or zinc oxide (ZnO) having a polar or nonpolar crystal plane as a surface is used. , 6H, 4H or 3C type silicon carbide (SiC), silicon (Si), gallium nitride (GaN), or other semiconductor crystals.
  • an epitaxial growth layer made of a group III nitride semiconductor layer such as gallium nitride on a sapphire substrate or a group III-V compound semiconductor such as boron phosphide (BP) on a silicon substrate is used. Can do.
  • the aluminum nitride layer 102 is formed, for example, as an undoped high-resistance semiconductor layer with aluminum (Al) simple metal as an aluminum source and a substrate temperature of 780 ° C.
  • the lower cladding layer 103 is formed using, for example, silicon (Si) simple substance as a doping source and using silicon (Si) -doped n-type gallium nitride (GaN) or the like.
  • the upper cladding layer 106 is formed using, for example, p-type aluminum nitride / gallium (compositional formula Al X Ga 1-X N) doped with magnesium (element symbol: Mg).
  • the transparent conductive film 108 is formed using, for example, indium / tin composite oxide (abbreviation: ITO), indium / zinc (element symbol: Zn) / tin composite oxide (abbreviation: IZTO), or the like.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the light emitting layer 104 of the LED chip 10.
  • FIG. 2A shows an example of the light emitting layer 104 provided with a plurality of intermediate layers.
  • I is the direction of extraction of light emitted from the light emitting layer 104 (light emission extraction direction I), and light emission is from the surface 104 A side of the light emitting layer 104 opposite to the lower cladding layer 103. It is a style to take out.
  • FIG. 2B is an example of another embodiment. In FIG.
  • 2B, II is the extraction direction of light emitted from the light emitting layer 204 (light emission extraction direction II), and light emission is from the side of the lower cladding layer 203 opposite to the surface 204A of the light emitting layer 204. It is a style to take out.
  • the light emitting layer 104 of the LED chip 10 is formed by using the lower clad layer 103 formed on the substrate 101 or the growth layer on the substrate 101 as a base layer. As shown in FIG. 2A, the light emitting layer 104 is formed on the upper surface of the lower cladding layer 103 in order, and a plurality of n-type gallium nitride indium layers having different indium compositions (composition formula Ga 1-X In X N: 0 ⁇ X ⁇ 1) and aluminum nitride gallium (composition formula Al ⁇ Ga 1- ⁇ N: 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1) which is a diffusion barrier layer provided between the n-type gallium nitride and indium layers And an intermediate layer.
  • the first gallium nitride indium layer 104a having the first indium composition (X 1 ) (composition formula Ga 1 -X1 In X1 N: 0 ⁇ X 1 ⁇ 1)
  • the second gallium nitride indium layer 104b having the second indium composition (X 2 ) (composition formula Ga 1 -X2 In X2 N: 0 ⁇ X 2 ⁇ 1)
  • the third indium composition the third gallium indium nitride layer 104c having a (X 3) (composition formula Ga 1-X3 in X3 N: 0 ⁇ X 3 ⁇ 1) is formed.
  • the diffusion barrier layer intermediate layer
  • a first intermediate layer 105a and a second intermediate layer 105b are formed.
  • the indium composition of the n-type gallium nitride / indium layer constituting the light emitting layer 104 is set to be larger than the indium composition in the semiconductor layer forming the lower clad layer 103 or the upper clad layer 106.
  • the indium composition of the n-type gallium nitride / indium layer constituting the light emitting layer 104 is appropriately determined in accordance with a desired peak wavelength of light. Examples of the determination method include a determination method based on the relationship between the indium composition and the forbidden band width, as described in Patent Document 1. In this case, even if there is a slight concentration difference in the known non-linear factor (bowing parameter), the higher the indium composition, the longer the wavelength of the emitted light.
  • the indium composition of the plurality of n-type gallium nitride / indium layers (the first gallium nitride / indium layer 104a to the third gallium nitride / indium layer 104c) for forming the light emitting layer 104 is set to emit light.
  • the second indium composition (X 2 ) of the second gallium nitride indium layer 104b is Further, the third indium composition (X 3 ) of the third gallium nitride / indium layer 104c is formed to be smaller than the second indium composition of the second gallium nitride / indium layer 104b (see FIG. X 3 ⁇ X 2 ⁇ X 1 ).
  • the largest indium among the plurality of n-type gallium nitride / indium layers (the first gallium nitride / indium layer 104a to the third gallium nitride / indium layer 104c) constituting the light emitting layer 104 is used.
  • the first gallium nitride / indium layer 104 a having the composition (first indium composition (X 1 )) is disposed on the side opposite to the emission extraction direction I and closest to the lower cladding layer 103.
  • the structural unit including the first gallium nitride / indium layer 104 a having the maximum indium composition (first indium composition (X 1 )) among the indium compositions in the light emitting layer 104 is emitted from the light emitting layer 104. It is arranged as the lowermost layer facing the take-out direction I.
  • the third gallium nitride / indium layer 104c having the smallest indium composition (third indium composition (X 3 )) among the plurality of n-type gallium nitride / indium layers is further formed as the lower cladding. It is disposed at the farthest position in the light emission extraction direction I as viewed from the layer 103 (the surface 104A of the light emitting layer 104). As a result, the third gallium nitride / indium layer 104c having the smallest indium composition (third indium composition (X 3 )) and emitting the light with the shortest wavelength is disposed as the uppermost layer in the emission extraction direction I. Is done. For this reason, in the light emission extraction direction I, light absorption by the gallium nitride / indium layer positioned higher in the light emitting layer 104 is suppressed, and light having high intensity is efficiently extracted to the outside.
  • the LED chip 10 (FIG. 1) is adopted that transmits light through the upper cladding layer 106 provided above the light emitting layer 104 and extracts light to the outside. Yes. That is, in the present embodiment (FIG. 2A), the light emitting layer disposed at a position intermediate between the lower cladding layer 103 and the upper cladding layer 106 made of a semiconductor material having a wide band gap such as a group III nitride semiconductor. In 104, the first gallium nitride indium layer 104 a having the largest indium composition (X 1 ) is disposed closest to the lower cladding layer 103.
  • the lower cladding layer 103 is used as an underlayer during the growth of the light emitting layer 104
  • the back surface of the substrate 101 is utilized by using the optically transparent substrate 101.
  • a gallium nitride / indium layer having the largest indium composition is placed closest to the upper cladding layer 106. Deploy.
  • the intermediate layer (105a, 105b), which is one component of the light emitting layer 104, is positioned between two gallium nitride indium layers (104a and 104b, 104b and 104c) having different indium compositions. Respectively.
  • the gallium nitride indium layers (104a, 104b, 104c) and the intermediate layers (105a, 105b) are alternately and repeatedly stacked, and the intermediate layers (105a, 105b) are made of two gallium nitride indiums.
  • the light emitting layer 104 is configured as a structure sandwiched between the layers.
  • the intermediate layer (105a, 105b) located between the two gallium nitride indium layers (104a and 104b, 104b and 104c) is more than any of the gallium nitride indium layers located on both sides thereof. Also, it is desirable to be made of a material having a small lattice constant. In the present embodiment, it is made of aluminum gallium nitride (compositional formula Al ⁇ Ga 1- ⁇ N: 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1).
  • Aluminum nitride (AlN) which does not contain gallium compared to aluminum gallium nitride ((aluminum composition) ⁇ 1) is not preferable because it has a wide band gap and increases the electric resistance of the light emitting layer 104.
  • the intermediate layer (105a, 105b) forming the light emitting layer 104 is preferably composed of a layer having the same conductivity type as the gallium nitride / indium layer.
  • both the intermediate layer (105a, 105b) and the gallium nitride / indium layer are formed of an n-type conductive layer.
  • the intermediate layer (105a, 105b) disposed between the two gallium nitride indium layers (104a and 104b, 104b and 104c) is located on one side of the intermediate layer (105a, 105b). This reduces the amount of indium that penetrates from the gallium nitride indium layer to the gallium nitride indium layer on the other side of the intermediate layer (105a, 105b) by diffusion.
  • the thickness of the intermediate layer (105a, 105b) is the difference in concentration ( ⁇ In: in this embodiment) of the indium composition (X 1 , X 2 , X 3 ) of the gallium nitride indium layers on both sides.
  • the effect can be exerted more by changing depending on the magnitude of (X 1 -X 2 , X 2 -X 3 )).
  • the thickness of the intermediate layer (105a, 105b) is preferably increased as the concentration difference ( ⁇ In) of the indium composition of the gallium nitride / indium layers arranged on both sides is larger.
  • the growth temperature of the gallium nitride / indium layers (104a, 104b, 104c) and the intermediate layer (105a, 105b) is high, the diffusion of indium atoms proceeds more significantly. It is preferable to change depending on the growth temperature.
  • the temperature of the substrate 101 is set to 480 ° C. and the indium composition is formed on the lower clad layer 103 made of gallium nitride formed on the ⁇ 111 ⁇ surface of the silicon substrate by molecular beam epitaxy (abbreviation: MBE).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the concentration difference ( ⁇ In) of the indium composition (X 1 , X 2 , X 3 ) of the gallium nitride / indium layers on both sides of each intermediate layer (105a, 105b) is 0.02, for example, The thickness of the intermediate layer (105a, 105b) is preferably 8 nm to 22 nm.
  • concentration difference ( ⁇ In) of the indium composition is too small, the diffusion of indium atoms in the gallium nitride / indium layer does not occur remarkably.
  • the intermediate layers (105a and 105b) as the thick diffusion barrier layers are disposed, the electric resistance of the light emitting layer 104 tends to increase.
  • a gallium nitride / indium layers (104a, 104b, 104c) are formed on the lower clad layer 103 made of n-type gallium nitride to which silicon is added, a region in the vicinity of the surface of the lower clad layer 103 is formed.
  • a gallium nitride layer having a reduced atomic concentration of impurities such as silicon as the lower cladding layer 103. This makes it easier to obtain a gallium nitride / indium layer having a desired indium composition.
  • the intermediate layer (105a, 105b) if the thickness of the intermediate layer (105a, 105b) is increased, the indium between the gallium nitride / indium layers (104a, 104b, 104c) on both sides of the intermediate layer (105a, 105b) is increased. It is more effective in preventing atomic diffusion.
  • the intermediate layer (105a, 105b) in order to transmit light emitted from the gallium nitride indium layers (104a, 104b, 104c), the intermediate layer (105a, 105b) has a wider forbidden band than the gallium nitride indium layers (104a, 104b, 104c). When it is made of a material having a width, the electric resistance of the light emitting layer 104 increases.
  • the thickest intermediate layer preferably contains donor impurities at the highest concentration.
  • two layers of gallium nitride / indium layers 104a and 104b, 104b and 104c) having different indium compositions, and one intermediate layer (105a, 105b) between the two layers are provided, and the light emitting layer is formed.
  • the thickness of the intermediate layer (105a, 105b), which is a diffusion barrier layer is set to two gallium nitride indium layers (104a, 104b, 104b) on both sides of the intermediate layer (105a, 105b). The thicker the difference in concentration of the indium composition in 104c), the better. It is also preferable to increase the atomic concentration of donor impurities.
  • the intermediate layer (105a, 105b) is preferably composed of a III-V group compound semiconductor having a wide band gap such as a group III nitride semiconductor.
  • the donor impurity contained in such an intermediate layer (105a, 105b) include silicon, germanium, tin (element symbol: Sn) and the like belonging to Group IV of the element periodic rule.
  • a donor impurity composed of an element having a smaller atomic radius than the group III element or group V element constituting the group III-V compound semiconductor forming the intermediate layer (105a, 105b) is preferable.
  • the intermediate layer (105a, 105b) is made of gallium nitride
  • germanium germanium
  • Ge, atomic radius 1.37 ⁇
  • the intermediate layer (105a, 105b) containing silicon (Si) is formed by vapor phase such as metal organic chemical vapor deposition (abbreviated as MOCVD or MOVPE), MBE, hydride, or halide. It can be formed by a growth method.
  • silanes such as silane (molecular formula: SiH 4 ) and methylsilanes (molecular formula: (CH 3 ) X SiH 4 -X ) can be used as a silicon (Si) doping source.
  • germane molecular formula: GeH 4
  • high-purity silicon or germanium can be used as a doping source for silicon or germanium.
  • the atomic concentration of the donor impurity in the intermediate layer (105a, 105b) is preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 to 2 ⁇ 10 19 atoms / cm 3.
  • the concentration of is adjusted by increasing or decreasing the supply amount of the doping source to the growth reaction system.
  • the atomic concentration of the donor impurity in the intermediate layer (105a, 105b) can be quantified by, for example, secondary ion mass spectrometry (English abbreviation: SIMS).
  • FIG. 2B is an example of another embodiment of the light emitting layer 204 provided with a plurality of intermediate layers.
  • the light emitting layer 204 shown in FIG. 2B is formed on the lower cladding layer 203 made of n-type gallium nitride, and the light emission is extracted from the lower cladding layer 203 side (light emission extraction direction II). (This is a light emission extraction mode called upside-down type or face-down type).
  • the light emitting layer 204 includes a first gallium nitride indium layer 204a having a first indium composition (A) and a second gallium nitride indium layer having a second indium composition (B: where B ⁇ A).
  • an intermediate layer 205a made of aluminum nitride / gallium is formed between the first gallium nitride / indium layer 204a and the second gallium nitride / indium layer 204b.
  • the second gallium nitride indium layer 204b and the third gallium nitride indium layer 204c having the smallest indium composition (B) are disposed closest to the lower cladding layer 203, and are the largest.
  • the first gallium nitride / indium layer 204a having the indium composition (A) is disposed on the surface 204A of the light emitting layer 204 to increase the efficiency of taking out emitted light to the outside.
  • one intermediate layer 205a is formed between two gallium nitride indium layers (first gallium nitride indium layer 204a and second gallium nitride indium layer 204b) having different indium compositions. Is provided. This is because the indium composition of the second gallium nitride / indium layer 204b is equal to that of the third gallium nitride / indium layer 204c, so that indium atoms do not diffuse between the layers. If an intermediate layer is inserted between two gallium nitride / indium layers having the same indium composition, it is preferable to use a thin layer that does not interfere with the forward current flow.
  • an upper cladding layer 106 made of a semiconductor material having a wider band gap than the gallium nitride / indium layer constituting the light emitting layer 104 is provided on the light emitting layer 104.
  • an ohmic electrode is laid corresponding to the electric conduction type of the same layer.
  • a transparent conductive oxide film that does not hinder the extraction of emitted light to the outside is preferably used.
  • the transparent conductive film 108 made of an indium / tin composite oxide (abbreviation: ITO) film or an indium / zinc (element symbol: Zn) / tin composite oxide (abbreviation: IZTO) film is used.
  • the film is formed on the upper clad layer 106.
  • a p-type electrode 109 used for connection with a power supply terminal is disposed on the transparent conductive film 108.
  • an ohmic electrode corresponding to the electric conductivity type of the same layer is laid on the lower clad layer 103 made of aluminum nitride, gallium, indium mixed crystal or the like under the light emitting layer 104.
  • the lower cladding layer 103 made of an n-type gallium nitride layer is provided with a cathode ( ⁇ ) ohmic electrode that is in electrical contact therewith. If it is necessary to provide the cathode electrode, a certain upper cladding layer and light emitting layer in the region where the electrode is formed are removed by a dry etching method or the like.
  • an n-type ohmic electrode 107 is formed as a cathode electrode formed on the exposed surface of the semiconductor layer exposed by cutting out a part of the lower cladding layer 103.
  • Example 1 the LED chip 10 having the light emitting layer 104 having the structure shown in FIG. 2 and made of a group III nitride semiconductor having the structure shown in FIG. 1 was manufactured, and the performance as a light emitting element was measured.
  • a group III nitride described later is formed by molecular beam epitaxy (MBE).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the opening of a cell (cell) for generating nitrogen plasma facing the substrate 101 is provided with a circular ejection plate having a plurality of fine holes with a diameter of 0.5 mm, and has a wavelength of 250 nm to 370 nm.
  • the intensity of the emission peak due to the second positive band of nitrogen molecules in the region was reduced.
  • the pressure in the growth chamber made of stainless steel at the time of growth was 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pascal (pressure unit: Pa.
  • silicon (Si) alone was used as a doping source on the aluminum nitride layer 102 to form silicon (Si )
  • the pressure in the growth chamber during growth was 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • Surface rearrangement during and after the growth of the gallium nitride layer forming the lower cladding layer 103 The structure was a (2 ⁇ 2) structure indicating that gallium is stoichiometrically richer than nitrogen.
  • an n-type first gallium nitride / indium layer 104a forming a light emitting layer 104 with a nitrogen gas flow rate of 0.7 cc / min to generate nitrogen plasma.
  • the first gallium nitride / indium layer 104a having the highest indium composition among the three gallium nitride / indium layers has an indium flux of 7.0 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa and a gallium flux of 5.1. ⁇ 10 ⁇ 8 Pa was formed.
  • the thickness of the first gallium nitride / indium layer 104a was 12 nm.
  • the amount of gallium flux in forming the first intermediate layer 105a was set to 5.1 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa as in the case of forming the first gallium nitride / indium layer 104a.
  • the indium flux was blocked with the rotary shutter closed.
  • the relational expression (1) is well suited when the concentration difference of the indium composition is small ( ⁇ In ⁇ 0.05).
  • the atomic concentration of silicon inside the first intermediate layer 105a was substantially constant and was 1.7 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • the shutter attached to the cell containing indium is opened, and the n-type second nitridation is performed as planned on the first intermediate layer 105a while setting the flux amount of gallium to 5.1 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa.
  • a gallium indium layer 104b was formed. It was set to 0.06 smaller than the first indium composition by 0.02.
  • the flux amount of indium was 5.5 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa.
  • the thickness of the second gallium nitride / indium layer 104b was 18 nm.
  • the amount of gallium flux in forming the second intermediate layer 105b was set to 5.1 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa, as in the case of forming the first intermediate layer 105a.
  • the indium flux was blocked by closing the rotary shutter.
  • a third gallium nitride / indium layer 104c having an indium composition of 0.03% (3%) is provided on the second intermediate layer 105b made of n-type gallium nitride.
  • the thickness of the layer 105b was 30 nm.
  • the atomic concentration of silicon in the second intermediate layer 105b was higher than that in the first intermediate layer 105a.
  • the atomic concentration of silicon (Nsi (atom / cm 3 )) in the second intermediate layer 105b is 3 ⁇ 10 18 atoms / cm 3, which is a concentration within the range determined by the following relational expression (2). It was. 0.8 ⁇ 10 20 ⁇ ⁇ In ⁇ Nsi ⁇ 1.2 ⁇ 10 20 ⁇ ⁇ In (Relational Expression (2))
  • the symbol ⁇ In described in the relational expression (2) indicates that two gallium nitride indium layers (second nitride gallium indium layer 104b, third nitride gallium. This is the concentration difference in the indium composition of the indium layer 104c).
  • a shutter attached to the cell containing indium is opened, and the n-type third gallium nitride indium is formed on the second intermediate layer 105b while setting the flux amount of gallium to 5.1 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa.
  • Layer 104c was formed.
  • the indium composition of the third gallium nitride indium layer 104c is 0.03, which is smaller than both the first nitride gallium indium layer 104a and the second nitride gallium indium layer 104b.
  • the flux amount of indium was 4.0 ⁇ 10 ⁇ 8 Pa.
  • the layer thickness of the third gallium nitride / indium layer 104c was 15 nm.
  • FIG. 3 is a photoluminescence (abbreviation: PL) spectrum from the light-emitting layer 104 manufactured in this example. As shown in FIG.
  • emission corresponding to the indium compositions of the first gallium nitride / indium layer 104a to the third gallium nitride / indium layer 104c and having peak wavelengths of 365 nm, 386 nm, and 395 nm is measured. It was.
  • an upper cladding layer 106 made of p-type aluminum nitride / gallium (compositional formula Al X Ga 1-X N) doped with magnesium (element symbol: Mg) is formed on the light emitting layer 104. Formed.
  • the aluminum composition (X) of the aluminum nitride / gallium layer forming the upper cladding layer 106 was 0.10 at the joint surface with the third gallium nitride / indium layer 104c. The aluminum composition was decreased linearly so that the layer thickness reached 0.03 when the layer thickness reached 20 nm. From there, it was further changed linearly so that the aluminum composition became zero toward the surface.
  • a part of the upper cladding layer 106 and the light emitting layer 104 made of an aluminum nitride / gallium layer having a gradient in aluminum composition was removed by a general dry etching method.
  • An n-type ohmic electrode 107 was provided on the surface of the lower cladding layer 103 exposed by this removal.
  • a transparent conductive film 108 made of indium / zinc / tin composite oxide (English abbreviation: IZTO) was deposited on almost the entire surface of the remaining upper clad layer 106.
  • a p-type electrode 109 was formed in a partial region of the transparent conductive film 108.
  • individual LED chips 10 each having a side length of 350 ⁇ m were formed by a general cutting method, and the optical and electrical characteristics of the LEDs were measured.
  • the spectrum of the light emitted from the upper clad layer 106 side to the outside is the same as the PL spectrum shown in FIG. 4, the peak wavelength, and the relative emission intensity.
  • the forward voltage was 3.5 V when the forward voltage was 20 mA.
  • time-dependent change (current drift) of the forward current of 20 mA was measured, there was almost no change with time in the forward current 25 minutes after the start of flow.
  • the light emitting layer 104 having the structure without the first intermediate layer 105a to the second intermediate layer 105b was formed in the LED chip 10 manufactured in Example 1 described above. That is, the first gallium nitride / indium layer 104a to the third gallium nitride / indium layer 104c having different indium compositions were continuously formed on the lower clad layer 103 made of gallium nitride manufactured in Example 1.
  • “continuous” means that no intermediate layer is disposed between the first gallium nitride / indium layer 104a to the third gallium nitride / indium layer 104c, and these layers are sequentially stacked.
  • the performance as a light-emitting element was measured in the same manner as in Example 1 for the LED chip manufactured through such an operation.
  • FIG. 4 is a photoluminescence spectrum from the light emitting layer produced in this comparative example.
  • the photoluminescence spectrum of FIG. 4 when the light emitting layer 104 was configured without using the intermediate layer, only light emission having a wide half-value width with a peak wavelength of about 372 nm was obtained. That is, by omitting the intermediate layer, the diffusion of indium between the gallium nitride and indium layers constituting the light emitting layer 104 cannot be sufficiently prevented, and light emission having a plurality of peak wavelengths corresponding to the indium composition is eventually obtained. The result clearly showed that it was not obtained.
  • the function of emitting multi-wavelength light having different wavelengths is, in other words, the function of absorbing a plurality of lights having different wavelengths. Accordingly, the light emitting layer in the group III nitride semiconductor light emitting device to which the present embodiment is applied can emit not only single wavelength light but also light of different peak wavelengths, and therefore absorbs a plurality of lights having different wavelengths. It can also be used as a light absorbing layer for photoelectric conversion, for example, a light receiving layer for solar cell applications.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 LED chip, 100 ... Laminated semiconductor layer, 101 ... Substrate, 102 ... Aluminum nitride layer, 103, 203 ... Lower clad layer, 104, 204 ... Light emitting layer, 104A, 204A ... Surface of light emitting layer, 104a, 204a ... 1 gallium nitride indium layer, 104b, 204b ... second gallium nitride indium layer, 104c, 204c ... third gallium nitride indium layer, 105a, 205a ... first intermediate layer, 105b ... second intermediate Layer 106 upper cladding layer 107 n-type ohmic electrode 108 transparent conductive film 109 p-type electrode

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Abstract

本発明は、第１の導電型を示す第１の半導体層、発光層及び第１の導電型とは逆の導電性を示す第２の導電型を有する第２の半導体層が積層された積層半導体層と、第１の半導体層と接続する第１の電極と、第２の半導体層の表面に設けた第２の電極と、を備えており、前記発光層が、発光の取り出し方向と反対側に配置され、第１のインジウム組成を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層と、第１の窒化ガリウム・インジウム層より発光の取り出し方向側に配置され、第１のインジウム組成より小さい組成の第２のインジウム組成を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層と、第１の窒化ガリウム・インジウム層と第２の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、第１の窒化ガリウム・インジウム層及び第２の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。

Description

ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子
　本発明は、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を含む発光層を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関し、特に、インジウム組成の相違に対応して異なるピーク波長を有する複数の光を発せられる発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）等のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
　従来から、窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１－ＸＮ：０≦Ｘ≦１）は、深緑色や青色等の可視光を発する発光素子用途の発光層として利用されている（特許文献１参照）。また、例えば、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）を添加（ドーピング）したインジウム組成の大きなＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｎ層は赤色発光用の材料として有用であることが示されている（特許文献１参照）。
　発光層は、数的に単一な窒化ガリウム・インジウム層のみならず、インジウム組成が相違する数的に複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いた超格子（ｓｕｐｅｒ　ｌａｔｔｉｃｅ）構造から構成される場合もある（非特許文献１参照）。また例えば、インジウム組成が一定な複数の窒化ガリウム・インジウム層を井戸（ｗｅｌｌ）層とし、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とする重層単位を複数、積層させた多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造から構成する技術例がある（特許文献２乃至４、非特許文献２参照）。
　ＭＱＷ構造の如く、複数の井戸層と複数の障壁層を利用して発光層を形成する場合、電気導電性に優れる発光層となすために、不純物を故意に添加（ドーピング（ｄｏｐｉｎｇ））した窒化ガリウム・インジウム層や窒化ガリウム層を用いる場合がある（非特許文献３参照）。窒化ガリウム等のＩＩＩ族窒化物半導体についてのｎ型不純物としては、シリコン（元素記号：Ｓｉ）（特許文献５参照）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、テルル（元素記号：Ｔｅ）、セレン（元素記号：Ｓｅ）が例示されている（特許文献６参照）。
特公昭５８－３８３４号公報 特開平６－１６４０５５号公報 特開平６－２６８２５７号公報 特開平１０－２２５２５号公報 特開平１１－４０８５０号公報 特許第２５７６８１９号公報
Ｓｈｕｊｉ　ＮＡＫＡＭＵＲＡ他、ＩｎＸＧａ（１－Ｘ）Ｎ／ＩｎｙＧａ（１－ｙ）Ｎ　ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ　ｇｒｏｗｎ　ｏｎ　ＧａＮ　ｆｉｌｍｓ、ジャーナル　オブ　アプライド　フィジクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、アメリカ合衆国、１９９３年９月、Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．６、ｐ．ｐ．３９１１－３９１５ Ｓｈｕｊｉ　ＮＡＫＡＭＵＲＡ他、ＩｎＧａＮ－Ｂａｓｅｄ　Ｍｕｌｔｉ－Ｑｕａｎｔｕｍ－Ｗｅｌｌ－Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅｓ、ジャパニーズ　ジャーナル　オブ　アプライド　フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、日本国、１９９６年１月、Ｖｏｌ．３５、Ｐａｒｔ　２、Ｎｏ．１Ｂ、ｐ．ｐ．Ｌ７４－Ｌ７６ Ｓｈｕｊｉ　ＮＡＫＡＭＵＲＡ他、Ｈｉｇｈ－Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ＩｎＧａＮ　Ｂｌｕｅ，　Ｇｒｅｅｎ　ａｎｄ　Ｙｅｌｌｏｗ　Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｎｇ　Ｄｉｏｄｅｓ　ｗｉｔｈ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、ジャパニーズ　ジャーナル　オブ　アプライド　フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、日本国、１９９５年７月、Ｖｏｌ．３４、Ｐａｒｔ　２，Ｎｏ．７Ａ，ｐ．ｐ．Ｌ７９７－Ｌ７９９
　インジウム組成が同一な複数の窒化ガリウム・インジウム層を重層させる場合ならまだしも、インジウム組成が相違する窒化ガリウム・インジウム層を重層させて発光層を構成しても、インジウム組成の濃度差に起因してインジウムの拡散が生ずる。
　また、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いてＭＱＷ構造の様な超格子構造の発光層を構成する場合も、窒化ガリウム・インジウム層の中間に単純に設けられた障壁（バリア）層では、インジウムの拡散を充分に抑制できない。このため、インジウム組成の大小に対応したピーク（ｐｅａｋ）波長が異なる複数の光を得ようとしても、異なるピーク波長を有する光が予め企図した様には得られない問題がある。
　本発明の目的は、インジウム組成の大小に対応したピーク波長が異なる複数の光を得ようとしても、異なるピーク波長を有する発光が企図した様には得られないという問題を解決することにある。
　本発明は、上記の従来技術に伴う問題を解決するためになされたものである。本発明者は、量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす従来の障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層は、電子或いは正孔の輸送に対する障壁層であるため、インジウム原子の拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を十分に安定して抑止する拡散バリア層とは成り得ていないことに着目し、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いて発光層を形成するに際し、インジウム組成の濃度差に起因するインジウム原子の拡散を抑制するのに適する発光層の積層構成を提示する。
　かくして、本発明によれば、ｐｎ接合型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、第１の導電型を有する第１の半導体層、発光層及び当該第１の導電型とは逆の導電性を示す第２の導電型を有する第２の半導体層が積層された積層半導体層と、前記第１の半導体層と接続する第１の電極と、前記第２の半導体層の表面に設けた第２の電極と、を備え、前記積層半導体層の前記発光層は、当該発光層からの発光の取り出し方向と反対側に配置され、第１のインジウム組成を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第１の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光の取り出し方向側に配置され、前記第１のインジウム組成より小さい組成の第２のインジウム組成を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第１の窒化ガリウム・インジウム層と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第１の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第２の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供される。
　前記発光層における前記第１のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることが好ましい。
　前記発光層における前記第２のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第２の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることが好ましい。
　前記構造単位における前記中間層は、当該構造単位を構成する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層の前記第１のインジウム組成（Ｘ１）と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層の前記第２のインジウム組成（Ｘ２）との濃度差（ΔＩｎ）に応じて、当該中間層の厚さが増大することが好ましい。
　前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族－Ｖ族化合物半導体から構成されることが好ましい。
　前記ＩＩＩ族－Ｖ族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることが好ましい。
　前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族元素又はＶ族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことが好ましい。
　前記中間層は、当該中間層の厚さに応じて前記ドナー不純物の濃度が増大することが好ましい。
　本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、インジウム組成の濃度差に対応した異なるピーク波長の複数の光を発する窒化ガリウム・インジウム層を備えた発光層を得ることができる。
　すなわち、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層の間に中間層を配置して発光層を構成することにより、１個の窒化ガリウム・インジウム層から他の窒化ガリウム・インジウム層へインジウムが侵入することによるインジウム組成の変動が抑制される。かかる発光層は、ピーク波長が異なる複数の光を同時に出射できる多波長発光素子に適用できる。
本実施の形態が適用されるＩＩＩ族窒化物半導体としてのＬＥＤチップの一例を示す断面模式図である。 ＬＥＤチップの発光層の一例を示す断面模式図である。 実施例１で作製した発光層からのフォトルミネッセンススペクトルである。 比較例１で作製した発光層からのフォトルミネッセンススペクトルである。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するためのものであり、実際の大きさを表すものではない。
＜ＬＥＤチップ１０＞
　図１は、本実施の形態が適用されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子としてのＬＥＤチップ１０の一例を示す断面模式図である。
　ここでは、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例としてＬＥＤチップ１０を用いて説明する。図１に示すように、ＬＥＤチップ１０は、基板１０１と、基板１０１上に積層される窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０２とを備える。さらに、ＬＥＤチップ１０は、窒化アルミニウム層１０２上に積層される積層半導体層１００と、積層半導体層１００上に成膜された透明導電膜１０８とを備えている。
　積層半導体層１００は、窒化アルミニウム層１０２側から、第１の導電型を有する第１の半導体層としてのｎ型半導体層からなる下部クラッド層１０３と、下部クラッド層１０３上に積層される発光層１０４と、発光層１０４上に積層される第１の導電型とは逆の第２の導電型を有する第２の半導体層としてのｐ型半導体層からなる上部クラッド層１０６とを有する。発光層１０４の詳細な構造は後述する。
　また、ＬＥＤチップ１０は、下部クラッド層１０３の一部を切り欠くことによって露出した半導体層露出面に形成された第１の電極としてのｎ型オーミック電極１０７と、上部クラッド層１０６の表面のほぼ全体に成膜した透明導電膜１０８の一部の領域に形成した第２の電極としてのｐ型電極１０９を有している。
　本実施の形態のＬＥＤチップ１０は、基板１０１とは反対側の面側に第１の電極としてのｎ型オーミック電極１０７および第２の電極としてのｐ型電極１０９が形成された構造を有している。このＬＥＤチップ１０においては、ｎ型オーミック電極１０７を負極、ｐ型電極１０９を正極とし、両者を介して積層半導体層１００（下部クラッド層１０３／発光層１０４／上部クラッド層１０６）に電流を流すことで、発光層１０４が発光するようになっている。
　本実施の形態では、基板１０１としては、例えば、ガラス基板、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α－Ａｌ２Ｏ３単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物結晶、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体結晶が挙げられる。また、基板１０１として、サファイア基板上の窒化ガリウム等のＩＩＩ族窒化物半導体層やシリコン基板上のリン化硼素（ＢＰ）等のＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長層を用いることができる。
　窒化アルミニウム層１０２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の半導体層として成膜される。
　本実施の形態では、下部クラッド層１０３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）単体をドーピング源として、シリコン（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用いて成膜される。
　上部クラッド層１０６は、例えば、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）をドーピングしたｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１－ＸＮ）等を用いて成膜される。
　透明導電膜１０８は、例えば、インジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）等を用いて成膜される。
（発光層１０４）
　図２は、ＬＥＤチップ１０の発光層１０４の一例を示す断面模式図である。図２（ａ）は、複数の中間層を設けた発光層１０４の一例である。図２（ａ）中のＩは、発光層１０４から出射される光の取り出し方向（発光の取り出し方向Ｉ）であり、発光は下部クラッド層１０３とは反対側の発光層１０４の表面１０４Ａ側から取り出す様式である。
　図２（ｂ）は、他の実施の形態の一例である。図２（ｂ）中のＩＩは、発光層２０４から出射される光の取り出し方向（発光の取り出し方向ＩＩ）であり、発光は発光層２０４の表面２０４Ａとは反対側の下部クラッド層２０３側から取り出す様式である。
　本実施の形態では、図１に示すように、ＬＥＤチップ１０の発光層１０４は、基板１０１や基板１０１上の成長層上に形成した下部クラッド層１０３を下地層として形成されている。
　図２（ａ）に示すように、発光層１０４は、下部クラッド層１０３上面に順に成膜された、インジウム組成が相違する複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（組成式Ｇａ１－ＸＩｎＸＮ：０＜Ｘ≦１）と、ｎ型窒化ガリウム・インジウム層の間に設けられた拡散バリア層である窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａ１－αＮ：０≦α＜１）からなる中間層と、を含む構成単位を有している。
　本実施の形態では、ｎ型窒化ガリウム・インジウム層として、第１のインジウム組成（Ｘ１）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ（組成式Ｇａ１－Ｘ１ＩｎＸ１Ｎ：０＜Ｘ１≦１）と、第２のインジウム組成（Ｘ２）を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂ（組成式Ｇａ１－Ｘ２ＩｎＸ２Ｎ：０＜Ｘ２＜１）と、第３のインジウム組成（Ｘ３）を有する第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃ（組成式Ｇａ１－Ｘ３ＩｎＸ３Ｎ：０＜Ｘ３＜１）が形成されている。拡散バリア層（中間層）としては、第１の中間層１０５ａ及び第２の中間層１０５ｂが形成されている。
　本実施の形態では、発光層１０４を構成するｎ型窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成は、下部クラッド層１０３又は上部クラッド層１０６を形成する半導体層中のインジウム組成より大きくなるように設定する。発光層１０４を構成するｎ型窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成は、所望する光のピーク波長に対応して適宜決定する。その決定方法としては、例えば、前記特許文献１に記載されているように、インジウム組成と禁止帯幅の関係に基づいて決定する方法が挙げられる。この場合、公知の非線形因子（ｂｏｗｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ）に若干の濃度差があるとしても、インジウム組成が高い程、発せられる光の波長は長波長となることには変わりはない。
　本実施の形態では、発光層１０４を構成するための複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ～第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃ）のインジウム組成は、発光の取り出しの方向Ｉに向かって、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの第１のインジウム組成（Ｘ１）より、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂの第２のインジウム組成（Ｘ２）が小さく、さらに、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂの第２のインジウム組成より、第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの第３のインジウム組成（Ｘ３）が小さくなるように形成されている（Ｘ３＜Ｘ２＜Ｘ１）。
　すなわち、本実施の形態では、発光層１０４を構成する複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ～第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃ）の中でも、最も大きいインジウム組成（第１のインジウム組成（Ｘ１））を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを、発光の取り出し方向Ｉと反対側であって下部クラッド層１０３に最も近い位置に配置している。これにより、発光層１０４におけるインジウム組成の中の最大のインジウム組成（第１のインジウム組成（Ｘ１））を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを含む構造単位が、発光層１０４の発光の取り出し方向Ｉに向かい最下層として配置されている。
　本実施の形態では、さらに、複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層の中でも、最も小さいインジウム組成（第３のインジウム組成（Ｘ３））を有する第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを、下部クラッド層１０３から見て発光の取り出し方向Ｉの最も遠い位置（発光層１０４の表面１０４Ａ）に配置している。これにより、最も小さいインジウム組成（第３のインジウム組成（Ｘ３））を有し、最も短波長の光を発する第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃが、発光の取り出し方向Ｉの最上層として配置される。このため、発光の取り出し方向Ｉにおいて、発光層１０４内のより上方に位置する窒化ガリウム・インジウム層による光の吸収が抑制され、強度的に高い光が効率的に外部へ取り出される。
　本実施の形態では、発光の取り出し方向Ｉを示したように、発光層１０４の上方に設ける上部クラッド層１０６を透過させて外部へ光を取り出す様式のＬＥＤチップ１０（図１）を採用している。
　すなわち、本実施の形態（図２（ａ））では、ＩＩＩ族窒化物半導体等の広い禁止帯幅の半導体材料から構成する下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０６の中間の位置に配置する発光層１０４において、下部クラッド層１０３に最も近接させて、最も大きいインジウム組成（Ｘ１）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを配置している。
　一方、後述するように、発光層１０４の成長時に下部クラッド層１０３を下地層として利用するのに変わりは無いものの、光学的に透明な基板１０１を使用することを利用して、基板１０１の裏面側から外部へ光を取り出す、所謂、アップサイドダウン型のマウント（支持）を予定しているＬＥＤチップの場合、上部クラッド層１０６に最も近接させて最も大きいインジウム組成を有する窒化ガリウム・インジウム層を配置する。
　本実施の形態では、発光層１０４の一構成要素である中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、インジウム組成が相違する２個の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）の中間の位置にそれぞれ配置されている。本実施の形態では、窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）と中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を交互に反復して積層させ、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を２個の窒化ガリウム・インジウム層の中間に挟む構造として発光層１０４を構成している。
　本実施の形態では、２個の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）の間に位置する中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、その両側に位置する何れの窒化ガリウム・インジウム層よりも格子定数が小さい材料から構成することが望ましい。本実施の形態では、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａ１－αＮ：０≦α＜１）から構成している。窒化アルミニウム・ガリウムに比べてガリウムを含まない（（アルミニウム組成）α＝１）窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は禁止帯幅が広く、発光層１０４の電気抵抗が増加するため、用いることは好ましくない。発光層１０４をなす中間層（１０５ａ，１０５ｂ）も窒化ガリウム・インジウム層と同一の伝導型の層から構成するのが好適である。例えば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）と窒化ガリウム・インジウム層の双方をｎ型の導電層から構成する。
　本実施の形態では、２個の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）の間に配置する中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の一方の側に在る窒化ガリウム・インジウム層から、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の他の側に在る窒化ガリウム・インジウム層へ拡散により侵入するインジウムの量を減ずる作用をする。
　本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚は、両側の窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）の濃度差（ΔＩｎ：本実施の形態では、（Ｘ１－Ｘ２，Ｘ２－Ｘ３））の大小に依り変化させると、よりその作用を発揮できる。中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の厚さは、両側に配置された窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が大である程、大きくすることが好ましい。また、窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）や中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の成長温度が高ければ、インジウム原子の拡散がより顕著に進むことから、窒化ガリウム・インジウム層を成長させる際の成長温度に依り変化させることが好ましい。
　本実施の形態では、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）法により、シリコン基板の｛１１１｝表面上に形成した窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に、基板１０１の温度を４８０℃としてインジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を重層させる場合を一例として挙げる。この場合、各中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の両側に在る窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）の濃度差（ΔＩｎ）が、例えば、０．０２であれば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の厚さは、８ｎｍ～２２ｎｍとするのが望ましい。インジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が過度に小さいと、窒化ガリウム・インジウム層内のインジウム原子の拡散は顕著には生じない。この場合、厚い拡散バリア層としての中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を配置すると、発光層１０４の電気的抵抗が増加する傾向がある。
　本実施の形態では、シリコンを添加したｎ型窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に複数の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）を形成する場合、下部クラッド層１０３の表面近傍の領域で、シリコン等の不純物の原子濃度を減少させた窒化ガリウム層を下部クラッド層１０３として用いることが好ましい。これにより、所望のインジウム組成を有する窒化ガリウム・インジウム層が得られ易くなる。また、ガリウムよりも原子半径が小さいシリコン等の原子濃度を減少させることにより、窒化ガリウムの結晶格子の縮みを抑制でき、窒化ガリウムより格子定数の大きな窒化ガリウム・インジウム層を形成するのに格子ミスフィットを緩和できる。
　本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚を増せば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の両側に在る窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）の相互間でのインジウム原子の拡散を防止するのにより効果を奏する。一方で、窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）から発せられる光を透過するために、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）よりも広い禁止帯幅の材料から構成すると、発光層１０４の電気抵抗は増加する。このため、本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚の増加に応じて、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）内のドナー不純物の原子濃度を高めることが好ましい。即ち、発光層１０４を構成する複数の中間層（１０５ａ，１０５ｂ）にあって、最も厚い中間層は、最も高濃度にドナー不純物を含むものであることが好ましい。
　本実施の形態では、例えば、インジウム組成が相違する２層の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）と、両層の中間に一層の中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を設けて発光層１０４を構成する場合、拡散バリア層である中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚は、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の両側に在る２層の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）のインジウム組成の濃度差が大きい程、厚くするのが好ましい。また、ドナー不純物の原子濃度も高くするのが好ましい。
　本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、ＩＩＩ族窒化物半導体等の広い禁止帯幅を有するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することが好ましい。このような中間層（１０５ａ，１０５ｂ）に含まれるドナー不純物としては、元素周期律の第ＩＶ族に属するシリコン、ゲルマニウム、錫（元素記号：Ｓｎ）等を例示できる。これらの中でも中間層（１０５ａ，１０５ｂ）をなすＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を構成するＩＩＩ族元素又はＶ族元素よりも原子半径が小さい元素からなるドナー不純物が好ましい。
　原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことにより結晶の格子が縮む様にすると、原子半径が大きいインジウム（原子半径＝１．６６オングストローム（単位：Å）、１Å＝０．１ｎｍ）の通過を妨げるに効力を奏する。
　本実施の形態では、例えば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を窒化ガリウムから構成する場合、ガリウム原子（原子半径＝１．４１Å）より原子半径の小さなシリコン（原子半径＝１．３２Å）やゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ，原子半径＝１．３７Å）は、ドナー不純物として好適に利用できる。
　シリコン（Ｓｉ）を含む中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、ＭＢＥ法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｙｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。
　ＭＯＣＶＤ法等では、シラン（分子式：ＳｉＨ４）やメチルシラン類（分子式：（ＣＨ３）ＸＳｉＨ４－Ｘ）等のシラン類をシリコン（Ｓｉ）のドーピング源として使用できる。また、ゲルマン（分子式：ＧｅＨ４）等をゲルマニウムのドーピング源として使用できる。ＭＢＥ法では、高純度のシリコンやゲルマニウムを、シリコンやゲルマニウムのドーピング源として使用できる。
　これらの成長手段にあって、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の内のドナー不純物の原子濃度は、５×１０１７原子／ｃｍ３から２×１０１９原子／ｃｍ３であることが望ましく、ドナー不純物の濃度は、成長反応系へのドーピング源の供給量を増減させて調節する。中間層（１０５ａ，１０５ｂ）内のドナー不純物の原子濃度は、例えば、２次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）により定量できる。
　図２（ｂ）は、複数の中間層を設けた発光層２０４の他の実施の形態の一例である。
　図２（ｂ）に示す発光層２０４は、ｎ型窒化ガリウムからなる下部クラッド層２０３上に形成されており、発光は下部クラッド層２０３側から取り出す様式（発光の取り出し方向ＩＩ）となっている（アップサイドダウン型或いはフェースダウン型と呼称される発光の取り出し様式である）。発光層２０４は、第１のインジウム組成（Ａ）である第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａと、第２のインジウム組成（Ｂ：但し、Ｂ＜Ａ）である第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ及び第２のインジウム組成である第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃを有している。さらに、第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａと第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂとの間に、窒化アルミニウム・ガリウムからなる中間層２０５ａが形成されている。
　本実施の形態では、最も小さいインジウム組成（Ｂ）を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ及び第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃを、下部クラッド層２０３に最も近接させて配置し、最も大きいインジウム組成（Ａ）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａを、発光層２０４の表面２０４Ａに配置し、発光の外部への取り出し効率を上げている。
　本実施の形態では、１個の中間層２０５ａが、インジウム組成が相違する２個の窒化ガリウム・インジウム層（第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａ，第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ）の間に設けられている。これは、第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂと第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃとのインジウム組成が等しいので、層間でインジウム原子の拡散が生じないためである。もし、インジウム組成が等しい２個の窒化ガリウム・インジウム層の間に中間層を挿入する場合は、順方向電流の通流の妨害とならない様な薄い層とすることが好ましい。
　本実施の形態が適用されるＬＥＤチップ１０には、発光層１０４を構成する窒化ガリウム・インジウム層よりも広い禁止帯幅を有する半導体材料からなる上部クラッド層１０６を発光層１０４上に設ける。上部クラッド層１０６は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶（組成式ＡｌαＧａβＩｎγＮ：α＋β＋γ＝１）から構成される。上部クラッド層１０６には、同層の電気伝導型に対応させてオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を敷設する。
　本実施の形態では、例えば、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａβＮ：α＋β＝１）からなる上部クラッド層１０６には陽極（＋）オーミック電極を設ける。陽極（＋）オーミック電極としては、発光の外部への取り出しに支障を来たさない透明な導電性酸化物膜等が好ましく用いられる。本実施の形態では、例えば、インジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）膜やインジウム・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）膜からなる透明導電膜１０８を、上部クラッド層１０６上に成膜している。そして、透明導電膜１０８の上に電源端子との接続に用いられるｐ型電極１０９を配置している。
　また、発光層１０４下の窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶等からなる下部クラッド層１０３には、同層の電気伝導型に対応したオーミック電極を敷設する。例えば、ｎ型窒化ガリウム層からなる下部クラッド層１０３には、それに電気的に接触する陰極（－）オーミック電極を設ける。陰極電極は設けるにあたって必要ならば、その電極を形成する領域に或る上部クラッド層及び発光層をドライエッチング法等に依り除去する。本実施の形態では、下部クラッド層１０３の一部を切り欠くことによって露出した半導体層露出面に形成された陰極電極としてのｎ型オーミック電極１０７を形成している。
　次に、本発明を、実施例および比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
　本実施例では、図２に示した構造の発光層１０４を有し、図１に示す構造のＩＩＩ族窒化物半導体からなるＬＥＤチップ１０を作製し、発光素子としての性能を測定した。
　（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）－シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１の表面上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、後記のＩＩＩ族窒化物半導体各層を成長させた。窒素源には、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（電力単位：Ｗ））窒素プラズマを用いた。基板１０１と対向する窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を減少させた。これにより、窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した。
　上記の基板１０１の表面上には、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０２（層厚＝３０ｎｍ）を成長させた。成長時のステンレス鋼製の成長チャンバー内の圧力は５×１０－３パスカル（圧力単位：Ｐａとした。次に、窒化アルミニウム層１０２上に、シリコン（Ｓｉ）単体をドーピング源として、シリコン（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる下部クラッド層１０３（層厚＝３μｍ、キャリア濃度＝２×１０１８ｃｍ－３）を成長させた。ガリウム（Ｇａ）のフラックス（ｆｌｕｘ）量は、１．１×１０－４Ｐａとした。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０－３Ｐａとした。下部クラッド層１０３をなす窒化ガリウム層の成長の途中時及び終了時での表面再配列構造は、ガリウムを窒素よりも化学量論的に富裕に含むことを示す（２×２）構造であった。
　次に、窒化ガリウム層からなる下部クラッド層１０３上に、窒素プラズマを発生させるために窒素ガスの流量を毎分０．７ｃｃとして発光層１０４をなすｎ型の第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを成長させた。３層の窒化ガリウム・インジウム層の中で最もインジウム組成が高い第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａは、インジウムのフラックス量を７．０×１０－８Ｐａとし、ガリウムのフラックス量を５．１×１０－８Ｐａとして形成した。第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａのインジウム組成は、０．０８（＝８％）とした。第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの層厚は１２ｎｍとした。
　引き続き、第１の窒化ガリウム・インジウム層（インジウム組成＝０．０８）１０４ａ上には、シリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型の窒化ガリウムからなる第１の中間層１０５ａを形成した。第１の中間層１０５ａを形成する際のガリウムのフラックス量は、上記の第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの形成時と同じく５．１×１０－８Ｐａとした。インジウムのフラックスは、回転式シャッターを閉状態として遮断した。
　第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの次には、インジウム組成を０．０６（＝６％）とする第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂを設けることを予定した。第１の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ａ（Ｉｎ組成＝０．０８）と第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂのインジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が０．０２であるので、第１の中間層１０５ａは、次の関係式（１）から求められる範囲内の厚さとした。即ち、第１の中間層１０５ａの厚さは、２１ｎｍとした。尚、関係式（１）は、インジウム組成の濃度差が小さな（ΔＩｎ＜０．０５）ときに良く適合する。
　９００×ΔＩｎ≦ｔ（ｎｍ）≦１１００×ΔＩｎ・・・（関係式（１））
　また、一般的なＳＩＭＳ分析によれば、第１の中間層１０５ａの内部でのシリコンの原子濃度は略一定で、１．７×１０１８原子／ｃｍ３であった。
　次に、インジウムを収納するセルに付帯するシャッターを開け、ガリウムのフラックス量を５．１×１０－８Ｐａとしつつ、第１の中間層１０５ａ上に、予定どおりのｎ型の第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂを形成した。第１のインジウム組成より０．０２小さい０．０６とした。インジウムのフラックス量は、５．５×１０－８Ｐａとした。第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂの層厚は１８ｎｍとした。
　経時的に続けて、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂ（インジウム組成＝０．０６）上には、シリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型の窒化ガリウムからなる第２の中間層１０５ｂを形成した。第２の中間層１０５ｂを形成する際のガリウムのフラックス量は、上記の第１の中間層１０５ａの形成時と同じく５．１×１０－８Ｐａとした。インジウムのフラックスは回転式シャッターを閉にして遮断した。ｎ型窒化ガリウムからなる第２の中間層１０５ｂ上には、インジウム組成を０．０３（３％）とする第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを設けることとした。従って、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂ（Ｉｎ組成＝０．０６）と第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が０．０３であるので、第２の中間層１０５ｂの厚さは、３０ｎｍとした。
　第２の中間層１０５ｂのシリコンの原子濃度は、上記の第１の中間層１０５ａよりも高くした。第２の中間層１０５ｂの層内のシリコンの原子濃度（Ｎｓｉ（原子／ｃｍ３））は、次記する関係式（２）で求められる範囲内の濃度である３×１０１８原子／ｃｍ３とした。
　０．８×１０２０×ΔＩｎ≦Ｎｓｉ≦１．２×１０２０×ΔＩｎ・・・（関係式（２））
　関係式（２）の式中に記載の記号ΔＩｎは、中間層の両側に配置された２個の窒化ガリウム・インジウム層（第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂ，第３の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｃ）のインジウム組成の濃度差である。
　次に、インジウムを収納するセルに付帯するシャッターを開け、ガリウムのフラックス量を５．１×１０－８Ｐａとしつつ、第２の中間層１０５ｂ上に、ｎ型の第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを形成した。第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成は、第１の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ａ及び第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂの何れよりも更に小さく、０．０３とした。インジウムのフラックス量は、４．０×１０－８Ｐａとした。第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの層厚は１５ｎｍとした。
　インジウム組成が相違する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ～第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃと、それらの層の中間に設けた窒化ガリウムからなる第１の中間層１０５ａ及び第２の中間層１０５ｂとからなる発光層１０４を形成した後、積層した構造体を一旦、ＭＢＥ成長チャンバーから外部へ取り出して、発光層１０４からのルミネッセンスのスペクトルを測定した。
　図３は、本実施例で作製した発光層１０４からのフォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）スペクトルである。図３に示すように、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ～第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成に対応し、ピーク（ｐｅａｋ）波長が３６５ｎｍ、３８６ｎｍ及び３９５ｎｍとする発光が測定された。
　室温でのＰＬスペクトル測定を終了した後、再び、積層構造体をＭＢＥチャンバー内に戻した。チャンバー内の真空度が安定してから、発光層１０４上にマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）をドーピングしたｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１－ＸＮ）からなる上部クラッド層１０６を形成した。上部クラッド層１０６をなす窒化アルミニウム・ガリウム層のアルミニウム組成（Ｘ）は、上記の第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃとの接合面で０．１０とした。アルミニウム組成は、層厚が２０ｎｍに達した所で０．０３となる様に直線的に減少させた。そこから更に、表面に向けてアルミニウム組成が０となる様に、直線的に変化させた。
　アルミニウム組成に勾配を付した窒化アルミニウム・ガリウム層からなる上部クラッド層１０６及び発光層１０４の一部の領域を一般的なドライエッチング法により除去した。この除去により露出させた下部クラッド層１０３の表面にｎ型オーミック電極１０７を設けた。残置させた上部クラッド層１０６の表面のほぼ全体にインジウム・亜鉛・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）からなる透明導電膜１０８を被着させた。透明導電膜１０８の一部の領域には、ｐ型電極１０９を形成した。
　然る後、一般的な裁断法により一辺の長さを３５０μｍとする個別のＬＥＤチップ１０とし、ＬＥＤの光学的及び電気的特性を測定した。上部クラッド層１０６側から外部へ出射される光のスペクトルは、図４に示すＰＬスペクトルとピーク波長及び相対的な発光強度共々、同等であった。順方向電圧を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．５Ｖであった。２０ｍＡの順方向電流の経時変化（電流ドリフト）を測定したところ、通流を開始した後から２５分間後の順方向電流に経時的な変化は殆どなかった。
（比較例１）
　本比較例では、上記の実施例１で作製したＬＥＤチップ１０において、第１の中間層１０５ａ～第２の中間層１０５ｂを有しない構造の発光層１０４を形成した。すなわち、実施例１において作製した窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に、インジウム組成が相違する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ～第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを連続的に形成した。ここで、連続的とは、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ～第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの中間に中間層を一切配置せず、これら各層を順次積層させたことを意味する。
　次に、このような操作を経て作製したＬＥＤチップについて、実施例１と同様に発光素子としての性能を測定した。
　図４は、本比較例で作製した発光層からのフォトルミネッセンススペクトルである。図４のフォトルミネッセンススペクトルに示すように、中間層を用いずに発光層１０４を構成した場合は、ピーク波長が約３７２ｎｍとする半値幅が広い唯一の発光が得られるのみであった。即ち、中間層を省くことにより、発光層１０４を構成する窒化ガリウム・インジウム層の相互間でのインジウムの拡散を充分に防止できず、結局、インジウム組成に対応した複数のピーク波長を呈する発光が得られないことが如実に示される結果となった。
産業上の利用分野
　波長が異なる多波長の光を出射する機能とは、換言すれば、波長が相違する複数の光を吸収する機能である。従って、本実施の形態が適用されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子における発光層は、単一の波長の光のみでなく異なるピーク波長の光を発せられるので、波長が相違する複数の光を吸収する光電変換のための光吸収層、例えば、太陽電池用途の受光層としても利用できる。
１０…ＬＥＤチップ、１００…積層半導体層、１０１…基板、１０２…窒化アルミニウム層、１０３，２０３…下部クラッド層、１０４，２０４…発光層、１０４Ａ，２０４Ａ…発光層の表面、１０４ａ，２０４ａ…第１の窒化ガリウム・インジウム層、１０４ｂ，２０４ｂ…第２の窒化ガリウム・インジウム層、１０４ｃ，２０４ｃ…第３の窒化ガリウム・インジウム層、１０５ａ，２０５ａ…第１の中間層、１０５ｂ…第２の中間層、１０６…上部クラッド層、１０７…ｎ型オーミック電極、１０８…透明導電膜、１０９…ｐ型電極

Claims (8)

  1. 　ｐｎ接合型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
    　第１の導電型を有する第１の半導体層、発光層及び当該第１の導電型とは逆の導電性を示す第２の導電型を有する第２の半導体層が積層された積層半導体層と、
    　前記第１の半導体層と接続する第１の電極と、
    　前記第２の半導体層の表面に設けた第２の電極と、を備え、
    　前記積層半導体層の前記発光層は、
    　当該発光層からの発光の取り出し方向と反対側に配置され、第１のインジウム組成を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層と、
    　前記第１の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光の取り出し方向側に配置され、前記第１のインジウム組成より小さい組成の第２のインジウム組成を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層と、
    　前記第１の窒化ガリウム・インジウム層と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第１の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第２の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  2. 　前記発光層における前記第１のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  3. 　前記発光層における前記第２のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第２の窒化ガリウム・インジウム層を含む前記構造単位が、当該発光層の前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  4. 　前記構造単位における前記中間層は、当該構造単位を構成する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層の前記第１のインジウム組成（Ｘ１）と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層の前記第２のインジウム組成（Ｘ２）との濃度差（ΔＩｎ）に応じて、当該中間層の厚さが増大することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  5. 　前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族－Ｖ族化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  6. 　前記ＩＩＩ族－Ｖ族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  7. 　前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族元素又はＶ族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
  8. 　前記中間層は、当該中間層の厚さに応じて前記ドナー不純物の濃度が増大することを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
     
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