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CN104919604B - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

氮化物半导体发光元件 Download PDF

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CN104919604B CN201480004398.4A CN201480004398A CN104919604B CN 104919604 B CN104919604 B CN 104919604B CN 201480004398 A CN201480004398 A CN 201480004398A CN 104919604 B CN104919604 B CN 104919604B
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井上知也
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Abstract

氮化物半导体发光元件依次具备第一n型氮化物半导体层、第二n型氮化物半导体层、n型电子注入层和发光层，第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度为第一n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的0.53倍以下，n型电子注入层的平均n型掺杂物浓度为第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的1.5倍以上。

Description

氮化物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光元件。
背景技术
含氮的III-V族化合物半导体材料(以下称作“氮化物半导体材料”)包含与具有红外区域～紫外区域的波长的光的能量相当的带隙。因而，氮化物半导体材料对于发出具有红外区域至紫外区域的波长的光的发光元件的材料、接受具有该区域的波长的光的受光元件的材料等是有用的。
此外，关于氮化物半导体材料，原子间的键合力强，绝缘击穿电压高，饱和电子速度大。因而，氮化物半导体材料作为耐高温且高输出的高频晶体管等电子器件的材料也是有用的。进而，氮化物半导体材料作为几乎不会损害环境且易于处理的材料也备受瞩目。
在利用了具有上述特性的氮化物半导体材料的氮化物半导体发光元件中，一般而言在发光层采用量子阱构造。若向发光层中采用了量子阱构造的氮化物半导体发光元件施加电压，则在发光层的量子阱层中电子和空穴被再次结合，从而产生光。作为具有量子阱构造的发光层，虽然可以为单一量子阱(Single Quantum Well；SQW)构造，但大多情况设为量子阱层和势垒层被交替地层叠的多量子阱(Multiple Quantum Well；MQW)构造。
一般而言，作为发光层的量子阱层采用的是InGaN，作为势垒层采用的是GaN。由此，例如能够制作发光峰值波长约为450nm的蓝色LED(Light Emitting Device，发光二级管)，也能够与黄色荧光体组合来制作白色LED。在作为势垒层采用的是AlGaN的情况下，由于势垒层和量子阱层的带隙能量差增大，因此也认为发光效率增大，但较之于GaN，AlGaN也具有难以获得优质的结晶的问题。
此外，一般而言，作为n型氮化物半导体层采用的是GaN或InGaN。
例如，在日本特开2004-343147号公报(专利文献1)中公开了如下构造的LED元件，即，在活性层之下具有n侧多层膜层，该n侧多层膜层具有含In的氮化物半导体层。根据专利文献1所记载的LED元件，认为活性层之下的n侧多层膜层起到某些作用，使得发光元件的输出得以提升，作为其理由，被推测为使得活性层的结晶性得以提升的缘故。
此外，在日本特开2002-299685号公报(专利文献2)中公开了如下的III族氮化物LED，即，在以2×1017cm-3～2×1019cm-3的范围掺杂了Si的平滑层上按照隔离层以及活性区域的顺序依次层叠，平滑层被掺杂成比隔离层高很多的高浓度。在专利文献2的III族氮化物LED中，平滑层具有使低温的III族氮化物半导体层的平坦的二维生长得以恢复的功能，认为能够提高III族氮化物LED的效率和可靠性双方。
此外，在日本特开2005-203520号公报(专利文献3)中公开了如下的发光二极管，即，在由GaN基板构成的支承基板上具有由掺杂Si的GaN半导体构成的缓冲层、由掺杂Si的Al0.18Ga0.82N半导体构成的第三AlGaN半导体层9、和具备由InAlGaN半导体构成的阱层35a～35c以及势垒层37a～37d的发光区域，发出峰值波长为359纳米的光。
此外，在日本特开平9-153645号公报(专利文献4)中公开了如下的发光二极管，即，在AlN缓冲层上层叠了：膜厚约为2.0μm、电子浓度为2×1018/cm3、且由掺杂硅的GaN构成的高载流子浓度n+层；膜厚约为1.0μm、电子浓度为2×1018/cm3、且由掺杂硅的Al0.3Ga0.7N构成的n层；整个膜厚约为0.11μm的发光层；膜厚约为1.0μm、空穴浓度为5×1017/cm3、且以浓度1×1020/cm3掺杂镁的Al0.3Ga0.7N构成的p层；和膜厚约为0.2μm、空穴浓度为7×1017/cm3、且由镁浓度为2×1020/cm3的掺杂了镁的GaN构成的接触层，其中发光峰值波长为380nm。
进而，在日本特开平10-173231号公报(专利文献5)中公开了具有如下构造的发光元件，即，在载流子浓度为1×1019/cm3的掺杂Si的n+GaN层上，按照载流子浓度为1×1018/cm3的掺杂Si的nGaN层以及n型In0.15Ga0.85N层的顺序依次使它们生长。在专利文献5所记载的发光元件中，认为在整个活性层中电流均匀地流动，可获得均匀的发光。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-343147号公报
专利文献2：日本特开2002-299685号公报
专利文献3：日本特开2005-203520号公报
专利文献4：日本特开平9-153645号公报
专利文献5：日本特开平10-173231号公报
发明内容
发明要解决的课题
在作为多量子阱发光层中的势垒层而采用了带隙比GaN大的AlGaN或InGaAlN的情况下，当n侧的层为InGaN或GaN时，易于引起空穴从发光层向n侧的层的溢出，其结果，尤其在提高了工作电流密度的情况下，氮化物半导体发光元件的发光量相对于接通电流之比即电流-发光效率(W/A)、以及发光量相对于接通电力之比即电力-发光效率(W/W)下降将成为问题。
本发明的目的在于，提供一种即便在工作电流密度高的情况下也能够提高发光效率的氮化物半导体发光元件。
用于解决课题的手段
本发明为一种氮化物半导体发光元件，依次具备第一n型氮化物半导体层、第二n型氮化物半导体层、n型电子注入层、发光层和p型氮化物半导体层，第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度为第一n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的0.53倍以下，n型电子注入层的平均n型掺杂物浓度为第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的1.5倍以上。这是基于本发明者经过潜心研究的结果所发现的内容，即，在采用了上述构成的情况下，即便在工作电流密度高的情况下也能够提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
发明效果
根据本发明，可以提供即便在工作电流密度高的情况下也能够提高发光效率的氮化物半导体发光元件。
附图说明
图1是实施方式的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图2是从上面观察实施方式的氮化物半导体发光元件时的示意性俯视图。
图3是表示实施方式的氮化物半导体发光元件的第一n型氮化物半导体层、第二n型氮化物半导体层、n型电子注入层、发光层以及p型氮化物半导体层的带隙能量以及n型掺杂物浓度的一例的图。
图4是实施例1的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图5是实施例2的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图6是实施例3的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图7是实施例4的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
图8是实施例5的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。另外，在本发明的附图中，假设同一参照符号表征同一部分或者相应部分。
在本说明书中，“势垒层”是指被量子阱层夹持的层。此外，未被量子阱层夹持的势垒层被记载为“最初的势垒层”或者“最后的势垒层”，与被量子阱层夹持的层相比，表述改变。
此外，在本说明书中，利用了“掺杂物浓度”这一术语、和伴随着n型掺杂物或者p型掺杂物的掺杂而产生的电子以及空穴的浓度即“载流子浓度”这一术语，其关系将在后面描述。
此外，在本说明书中，所谓“载流子气体”，是指除了III族原料气体、V族原料气体以及掺杂物原料气体以外的气体。构成载流子气体的原子不被取入到氮化物半导体层等中。
此外，在本说明书中，所谓“未掺杂”，是指有意识地不进行掺杂，即便是未掺杂层，由于来自邻接的层的掺杂物的扩散，有时也将包含掺杂物。
此外，在本说明书中，“n型氮化物半导体层”其中可以包含在实用上不妨碍电子流动这种程度的厚度的低载流子浓度的n型层或未掺杂层。所谓“在实用上不妨碍”，指的是氮化物半导体发光元件的工作电压为实用上的水准。
此外，在本说明书中，“p侧氮化物半导体层”也可以包含在实用上不妨碍空穴流动这种程度的厚度的低载流子浓度的p型层或未掺杂层。所谓“在实用上不妨碍”，指的是氮化物半导体发光元件的工作电压为实用上的水准。
此外，在本说明书中，“AlGaN”这一表述是作为原子而含有Al、Ga以及N的意思，组成并不特别限定。关于InGaN、AlGaInN、以及AlON也相同。
此外，在本说明书中，“氮化物半导体”在理想的情况下氮(N)和其他元素(Al，Ga，In)的原子数比成为1∶1，但也有包含掺杂物的情况，此外实际上形成的物质不一定为理想的情况，因此有时原子数比将偏离1∶1。此外，在本说明书中，即便是记载为AlxGa1-xN的情况，也并非是指仅氮(N)和其他元素(Al，Ga)的原子数比完全为1∶1的情形。原子数比从1∶1的偏离在本申请说明书的记载上假设将其忽略。
此外，在本说明书中，氮化物半导体中的带隙Eg(eV)与In或Al的混晶比x之间的关系假设利用的是Joachim Piprek，“Semiconductor Optoelectric Devices”，AcademicPress，2003，p.191所记载的以下的式(I)以及(II)。
Eg(InxGa1-xN)＝1.89x+3.42(1-x)-3.8x(1-x)...(I)
Eg(AlxGa1-xN)＝6.28x+3.42(1-x)-1.3x(1-x)...(II)
[氮化物半导体发光元件的构成]
在图1中示出本发明的氮化物半导体发光元件的一例即实施方式的氮化物半导体发光元件的示意性剖视图，在图2中示出从上面观察实施方式的氮化物半导体发光元件时的示意性俯视图。
实施方式的氮化物半导体发光元件具备：基板101、和依次设置在基板101上的缓冲层102、氮化物半导体基底层106、第一n型氮化物半导体层108、第二n型氮化物半导体层110、n型电子注入层112、发光层114、p型氮化物半导体层116以及p型氮化物半导体层118。
在p型氮化物半导体层118上设置有透明电极层122，在透明电极层122上设置有p电极124。此外，在第一n型氮化物半导体层108上设置有n电极126。进而，由透明绝缘保护膜128来覆盖氮化物半导体发光元件的表面，使得n电极126的表面的一部分以及p电极124的表面的一部分露出。
[基板]
作为基板101，例如能够利用蓝宝石、GaN、SiC、Si或ZnO等的基板。基板101的厚度并不特别限定，但优选氮化物半导体层生长时的基板101的厚度为900μm以上且1200μm，优选氮化物半导体发光元件使用时的基板101的厚度为50μm以上且300μm以下。
此外，在基板101的上表面，也可以形成具有凸部101a以及凹部101b的凹凸形状，上表面的至少一部分也可以为平坦。此外，基板101的上表面的凸部101a以及凹部101b的形状并不特别限定，但优选凸部101a在俯视下为配置于大致等边三角形的顶点的大致圆形，更优选相邻的凸部101a的顶点的间隔为1μm以上且5μm以下。此外，凸部101a的剖面形状也可以为梯形形状，在此情况下更优选为梯形的顶点部带有圆润度的形状。
另外，基板101也可以在氮化物半导体层向基板101上生长后被去除，从而本发明的氮化物半导体发光元件被设为不具有基板101的氮化物半导体发光元件。
[缓冲层]
作为缓冲层102，例如能够利用AlON层(O相对于N的比率为几原子％程度)或者以由Als0Gat0Ou0N1-u0(0≤s0≤1、0≤t0≤1、0≤u0≤1、s0+t0≠0)构成的式子来表征的氮化物半导体层等。
在此，作为构成缓冲层102的AlON层，优选N的极少一部分(0.5原子％以上且2原子％以下)被取代为氧。在此情况下，由于形成缓冲层102使其在基板101的生长面的法线方向上伸长，因此能够获得由晶粒一致的柱状结晶的集合体构成的缓冲层102。
此外，缓冲层102的厚度并不特别限定，但优选为3nm以上且100nm以下，更优选为5nm以上且50nm以下。
为使氮化物半导体基底层106的X射线摇摆曲线的半光谱幅值提升，作为缓冲层102优选利用通过公知的溅射法所形成的AlON层。
此外，作为缓冲层102，例如也可以利用在500℃程度的低温下通过MOCVD法来生长的GaN层。
[氮化物半导体基底层]
作为氮化物半导体基底层106，能够利用由以例如Alx0Gay0Inz0N(0≤x0≤1、0≤y0≤1、0≤z0≤1、x0+y0+z0≠0)的式子来表征的III族氮化物半导体构成的层等。
另外，包含氮化物半导体基底层106的以下的氮化物半导体各层能够通过例如MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积)法来形成，但并不限定于此，也能够通过例如MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)法或者VPE(Vapor Phase Epitaxy，气相外延)法等来形成。
此外，作为氮化物半导体基底层106，为使不继承由例如柱状结晶的集合体构成的缓冲层102中的位错等结晶缺陷，优选利用作为III族元素而含Ga的氮化物半导体层。
氮化物半导体基底层106可以设为未掺杂层，也可例如以1×1016/cm3以上且1×1020/cm3以下的范围来掺杂n型掺杂物。在此，作为n型掺杂物，例如能够利用从由Si、Ge以及Sn构成的群组中选择出的至少一种等，其中优选利用Si。在n型掺杂物利用了Si的情况下，作为n型掺杂气体优选利用硅烷或者乙硅烷。对于后述的各n型掺杂氮化物半导体层而言也同样。
氮化物半导体基底层106生长时的基板101的温度优选为800℃以上且1250℃以下，更优选为900℃以上且1150℃以下。在氮化物半导体基底层106生长时的基板101的温度为800℃以上且1250℃以下的情况下，尤其为900℃以上且1150℃以下的情况下，能够使结晶缺陷少的结晶性优异的氮化物半导体基底层106生长。
通过尽量增厚氮化物半导体基底层106的厚度，从而氮化物半导体基底层106中的缺陷减少，但却存在与基板的热膨胀率差所伴随的晶片(在基板上形成了氮化物半导体层的晶片)的翘曲变大的问题，纵使将氮化物半导体基底层106的厚度增厚到某种程度以上，氮化物半导体基底层106中的缺陷减少效果也会饱和。由此，氮化物半导体基底层106的厚度优选为1μm以上且8μm以下，更优选为3μm以上且5μm以下。
[第一n型氮化物半导体层]
作为第一n型氮化物半导体层108，例如能够利用在由以Alx1Gay1Inz1N(0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤z1≤1、x1+y1+z1≠0)的式子来表征的III族氮化物半导体构成的层中掺杂了n型掺杂物的层，其中优选利用在Alx1Ga1-x1N(0≤x1≤1、优选为0≤x1≤0.5、更优选为0≤x1≤0.1)层中掺杂了n型掺杂物的层。
从即便在工作电流密度高的情况下也提高氮化物半导体发光元件的发光效率的观点出发，第一n型氮化物半导体层108的n型掺杂物浓度优选设为2×1018/cm3以上。此外，从即便在工作电流密度高的情况下也提高氮化物半导体发光元件的发光效率的观点出发，第一n型氮化物半导体层108的n型掺杂物浓度优选设为5×1019/cm3以下。
若第一n型氮化物半导体层108的厚度尽量厚，则第一n型氮化物半导体层108的电阻会减少。另一方面，在增厚了第一n型氮化物半导体层108的厚度的情况下，导致氮化物半导体发光元件的制造成本上升。从兼顾两者的观点出发，第一n型氮化物半导体层108的厚度优选为1μm以上且10μm以下，但并不限定于此。
第一n型氮化物半导体层108可以为单层，也可以为关于组成/掺杂浓度/这两方而不同的2层以上的多层。在第一n型氮化物半导体层108为多层的情况下，各个层可以由同一组成构成，也可以至少一层为不同的组成。在第一n型氮化物半导体层108为多层的情况下，各个层可以为同一厚度，也可以至少一层为不同的厚度。
另外，如后述的实施例所示，也可以通过首先使n型GaN层即n型氮化物半导体层生长，一旦从生长炉中取出之后，在其他炉中使同一n型GaN层即n型氮化物半导体层再次生长这样的两个生长工序，来形成第一n型氮化物半导体层108。然而，第一n型氮化物半导体层108的构成并不特别限定。
由于第一n型氮化物半导体层108兼用作后述的n电极的接触层，因此至少关于成为n电极126的接触层的部分，优选为1×1018/cm3以上的高掺杂浓度。
[第二n型氮化物半导体层]
作为第二n型氮化物半导体层110，例如能够利用在由以Alx2Gay2Inz2N(0≤x2≤1、0≤y2≤1、0≤z2≤1、x2+y2+z2≠0)的式子来表征的III族氮化物半导体构成的层中掺杂了n型掺杂物的层，其中优选利用在Alx2Ga1-x2N(0≤x2≤1、优选为0≤x2≤0.3、更优选为0≤x2≤0.1)层或者Inz2Ga1-z2N(0≤z2≤1、优选为0≤z2≤0.3、更优选为0≤z2≤0.1)层中掺杂了n型掺杂物的层。
第二n型氮化物半导体层110的平均n型掺杂物浓度被设为第一n型氮化物半导体层108的平均n型掺杂物浓度的0.53倍以下，优选被设为0.5倍以下。
第二n型氮化物半导体层110的厚度并不特别限定，但优选为50nm以上且500nm以下。
第二n型氮化物半导体层110可以为单层，也可以为关于组成/掺杂浓度/这两方而不同的2层以上的多层。在第二n型氮化物半导体层110为多层的情况下，各个层可以由同一组成构成，也可以至少一层为不同的组成。在第二n型氮化物半导体层110为多层的情况下，各个层可以为同一厚度，也可以至少一层为不同的厚度。
另外，也可以利用除了不掺杂n型掺杂物以外与第二n型氮化物半导体层110同样地制作出的未掺杂的氮化物半导体层，来取代第二n型氮化物半导体层110。
[n型电子注入层]
n型电子注入层112例如能够利用在由以Alx3Gay3Inz3N(0≤x3≤1、0≤y3≤1、0≤z3≤1、x3+y3+z3≠0)的式子来表征的III族氮化物半导体构成的层中掺杂了n型掺杂物的层，优选带隙大于第二n型氮化物半导体层110。其中，优选利用在由含Ga以及Al的氮化物半导体构成的层中掺杂了n型掺杂物的层，在n型电子注入层112由带隙比第二n型氮化物半导体层110大的Alx3Gay3Inz3N构成的情况下，从向发光层114良好地注入电子的观点等出发，优选使Al的组成比x3比x2大0.01以上且0.1以下的范围，更优选比x2大0.05以下的范围。
n型电子注入层112的n型掺杂物浓度为第二n型氮化物半导体层110的n型掺杂物浓度的1.5倍以上，优选为2倍以上。在第二n型氮化物半导体层110由多层构成的情况下，n型电子注入层112的平均n型掺杂物浓度相对于第二n型氮化物半导体层110的平均n型掺杂物浓度而被设为掺杂物浓度的1.5倍以上，优选被设为2倍以上。
n型电子注入层112可以为单层，也可以为组成以及/或者掺杂物浓度不同的多层。例如，与发光层114邻接的5nm程度的厚度的n型电子注入层112也可以设为假定在制造时掺杂物扩散而有意识地不进行掺杂的层。
优选n型电子注入层112的厚度为10nm以上且100nm以下。在n型电子注入层112的厚度为10nm以上的情况下，具有n型电子注入层112作为n型电子注入层的功能得以提升的趋势，在n型电子注入层112的厚度为100nm以下的情况下，耗尽层难以向第二n型氮化物半导体层110扩展，有时导致静电耐压变低。
另外，n型电子注入层112具有作为夹持发光层114的n型包层的作用。
[发光层]
在图3中示出实施方式的氮化物半导体发光元件的第一n型氮化物半导体层108、第二n型氮化物半导体层110、n型电子注入层112、发光层114以及p型氮化物半导体层116的带隙能量以及n型掺杂物浓度的一例。图3的纵轴表示层叠方向的厚度，上方向意味着接近p型氮化物半导体层116的一侧。此外，图3的横轴表示带隙能量的大小以及n型掺杂物浓度的高低，图3的右侧的线表示带隙能量的大小，图3的左侧的线表示n型掺杂物浓度的高低，图3的横轴的右方向分别意味着带隙能量大以及n型掺杂物浓度高。
如图3所示，发光层114具备量子阱层14W(14W1～14W8)、和势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)。量子阱层14W和势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)被交替地层叠，各量子阱层14W分别被夹在势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)之间，势垒层14B(14B1～14B5)分别被夹在量子阱层14W(14W1～14W8)之间。
在n型电子注入层112的正上方设置有最初的势垒层14BZ。在位于最靠p型氮化物半导体层116侧的第一量子阱层14W1的正上方设置有最后的势垒层14B0。
另外，在本说明中，为了识别各势垒层以及各量子阱层，从p型氮化物半导体层116朝向n型电子注入层112进行编号，例如记载为量子阱层14W1、势垒层14B1、量子阱层14W2、势垒层14B2、……等。
也可以在势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)与量子阱层14W之间包含不同于势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)以及量子阱层14W的1层以上的半导体层。此外，发光层114的一个周期(势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)的厚度和量子阱层14W的厚度之和)的长度例如能够设为5nm以上且100nm以下。
作为量子阱层14W，能够分别独立地利用以例如Alc1Gad1In(1-c1-d1)N(0≤c1＜1、0＜d1≤1)的式子来表征的氮化物半导体层。其中，作为量子阱层14W，优选为不含Al的Ine1Ga(1-e1)N(0＜e1≤1)。通过改变量子阱层14W的In的组成，从而可以调整量子阱层14W的带隙能量。例如，在发出波长为375nm以下的紫外光的情况下，由于需要增大发光层114的带隙能量，因此各量子阱层14W包含Al。
也可以在多个量子阱层14W之中的例如位于基板101侧的几个量子阱层14W中包含n型掺杂物。由此，氮化物半导体发光元件的驱动电压具有下降的趋势。
各量子阱层14W的厚度并不特别限定，但优选彼此相同。在各量子阱层14W的厚度彼此相同的情况下，各量子阱层14W的量子能级也变得相同，因此由于各量子阱层14W中的电子和空穴的再次结合，从而在各量子阱层14W中产生相同波长的光。由此，氮化物半导体发光元件的发光光谱宽度变窄，故优选各量子阱层14W的厚度彼此相同。另一方面，在有意识地使各量子阱层14W的组成以及/或者厚度不同的情况下，能够使氮化物半导体发光元件的发光光谱宽度变宽。
优选各量子阱层14W的厚度为1nm以上且7nm以下。在各量子阱层14W的厚度处于1nm以上且7nm以下的范围内的情况下，能够进一步提升大电流密度下的驱动时的氮化物半导体发光元件的发光效率。
作为各势垒层14B(14B0、14B1～14B7、14BZ)，分别能够利用例如带隙能量比构成各量子阱层14W的氮化物半导体材料的带隙能量大的氮化物半导体材料，优选分别独立地利用以AlfGagIn(1-f-g)N(0≤f＜1、0＜g≤1)的式子来表征的氮化物半导体层，更优选利用以含Al的AlhGa(1-h)N(0＜h≤1)的式子来表征的氮化物半导体层，进一步优选利用以含Ga以及Al的AlhGa(1-h)N(0＜h＜1)的式子来表征的氮化物半导体层。
各势垒层14B(14B1～14B7)的厚度并不特别限定，但优选为1nm以上且10nm以下，更优选为3nm以上且7nm以下。各势垒层14B(14B1～14B7)的厚度越薄则工作电压越下降，但若使各势垒层14B(14B1～14B7)的厚度极其薄，则大电流密度下的工作时的氮化物半导体发光元件的发光效率具有下降的趋势。最初的势垒层14BZ的厚度并不特别限定，但优选为1nm以上且10nm以下。最后的势垒层14B0的厚度并不特别限定，但优选为1nm以上且40nm以下。
虽然势垒层14B(14B1～14B7)以及最初的势垒层14BZ设为了未掺杂，但n型掺杂物浓度并不特别限定，优选根据需要来适当设定。此外，优选多个势垒层14B(14B1～14B7)之中，位于基板101侧的势垒层14B(14B1～14B7)中掺杂n型掺杂物，位于p型氮化物半导体层116侧的势垒层14B(14B1～14B7)中掺杂浓度比位于基板101侧的势垒层14B(14B1～14B7)低的n型掺杂物、或者不掺杂n型掺杂物。
此外，在各势垒层14B(14B1～14B7)、最初的势垒层14BZ以及最后的势垒层14B0中，由于p型氮化物半导体层116以及p型氮化物半导体层118在生长时的热扩散，有时会掺杂p型掺杂物。
量子阱层14W的层数并不特别限定，但优选为1层以上且20层以下，更优选为3层以上且15层以下，进一步优选为4层以上且12层以下。
[p型氮化物半导体层]
作为p型氮化物半导体层116、118，优选分别独立地利用在例如Alx4Gay4Inz4N(0≤x4≤1、0≤y4≤1、0≤z4≤1、x4+y4+z4≠0)层中掺杂了p型掺杂物的层，特别优选的是，作为p型氮化物半导体层116而利用掺杂了p型掺杂物的Alx4Ga(1-x4)N(0＜x4≤0.4、优选为0.1≤x4≤0.3)层，作为p型氮化物半导体层118而利用带隙比其小的层。
作为p型掺杂物并不特别限定，但优选利用例如镁。优选p型氮化物半导体层116、118中的载流子浓度为1×1017/cm3以上。由于p型掺杂物的活性率为0.01程度，因此优选p型氮化物半导体层116、118中的p型掺杂物浓度(不同于载流子浓度)为1×1019/cm3以上。
p型氮化物半导体层116、118的合计的厚度并不特别限定，但优选为50nm以上且300nm以下。通过使p型氮化物半导体层116、118的合计的厚度变薄，从而能够缩短p型氮化物半导体层116、118生长时的加热时间。由此，能够抑制p型氮化物半导体层116、118中的p型掺杂物向发光层114的扩散。
另外，p型氮化物半导体层116具有作为夹持发光层114的p型包层的作用。
[n电极、透明电极、p电极、透明绝缘保护膜]
透明电极层122、p电极124以及n电极126是用于向氮化物半导体发光元件供应驱动电力的电极。如图2所示，p电极124以及n电极126仅由焊盘电极部分来构成，但也可以连接有以例如电流扩散为目的的细长的突出部(分支电极)等。
透明电极层122优选由例如ITO(Indium Tin Oxide，铟锡氧化物)或者IZO(IndiumZinc Oxide，铟锌氧化物)等的透明导电膜构成，优选具有20nm以上且200nm以下的厚度。
p电极124以及n电极126优选按照例如镍层、铝层、钛层以及金层的顺序层叠来构成，但无需为相同的构成，也可以为不同的构成。若假定对p电极124以及n电极126进行引线接合的情况，则优选p电极124以及n电极126的厚度为1μm以上。
此外，优选的是，在比p电极124靠下、优选比透明电极122靠下设置有用于防止电流注入p电极124正下方的绝缘层。由此，被p电极124遮挡的发光量减少，光取出效率得以提升。
此外，作为透明绝缘保护膜128，能够利用由例如SiO2构成的膜，但并不限定于此。
[关于载流子浓度和掺杂物浓度]
载流子浓度意味着电子或者空穴的浓度，并非仅由n型掺杂物的量或者p型掺杂物的量来决定。这种载流子浓度是基于氮化物半导体发光元件的电压容量特性的结果而计算的，指的是未被注入电流的状态的载流子浓度，是由于离子化的杂质、施主化的结晶缺陷、以及受主化的结晶缺陷所产生的载流子的合计。
然而，由于作为n型掺杂物的Si等的活性化率高，因此认为n型载流子浓度与n型掺杂物浓度大致相同。此外，通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy；二次离子质谱分析)来测量深度方向的浓度分布，由此能够容易地求出n型掺杂物浓度。进而，掺杂物浓度的相对关系(比率)与载流子浓度的相对关系(比率)大致相同。鉴于这些内容，在本发明中以实际上容易测量的掺杂物浓度来定义。并且，在厚度方向上对通过测量所获得的n型掺杂物浓度进行平均，从而能够获得平均n型掺杂物浓度。
[作用效果]
在本发明的氮化物半导体发光元件中，将第二n型氮化物半导体层110的平均n型掺杂物浓度设为第一n型氮化物半导体层108的平均n型掺杂物浓度的0.53倍以下，将n型电子注入层112的平均n型掺杂物浓度设为第二n型氮化物半导体层110的平均n型掺杂物浓度的1.5倍以上。这是基于本发明者经过潜心研究的结果所发现的内容，即，如此提高了最接近发光层114的n型电子注入层112的载流子浓度的情况下，即便是工作电流密度高的情况下也能够提高氮化物半导体发光元件的发光效率，并且通过在n型电子注入层112的下方设置低载流子浓度的第二n型氮化物半导体层，从而能够抑制静电耐压的劣化。
此外，在本发明的氮化物半导体发光元件中，优选n型电子注入层112的带隙大于第二n型氮化物半导体层110的带隙。此时，由于能够更良好地进行电子/空穴向发光层114内的禁闭，因此即便在工作电流密度高的情况下也能够进一步提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
此外，在本发明的氮化物半导体发光元件中，优选的是，发光层114包含量子阱层以及势垒层，由含Ga以及Al的氮化物半导体构成。此时，由于能够更良好地进行发光层114内的电子/空穴的禁闭，因此即便在工作电流密度高的情况下也能够进一步提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
此外，在本发明的氮化物半导体发光元件中，优选n型电子注入层112的厚度为10nm以上且100nm以下。此时，由于能够良好地进行电子向发光层114内的注入，因此既能抑制静电耐压的劣化又能降低工作电压，并且由于能够更良好地进行发光层114内的电子/空穴的禁闭，因此即便在工作电流密度高的情况下也能够进一步提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
进而，优选本发明的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长(与发光光谱的峰值对应的波长)为250nm以上且445nm以下。本发明对于发出发光峰值波长为250nm以上且445nm以下这样的短波长的光的氮化物半导体发光元件，非常有效地发挥作用。
进而，优选本发明的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为250nm以上且445nm以下。本发明对于发出发光峰值波长为250nm以上且445nm以下这样的短波长的光的氮化物半导体发光元件，非常有效地发挥作用。
实施例
<实施例1>
以下，说明图4的示意性剖视图所示的实施例1的氮化物半导体发光元件的制造方法。
首先，如图4所示，准备了由凸部101a以及凹部101b构成的凹凸加工被施于上表面的直径为100mm的蓝宝石基板即基板101。凸部101a的形状在俯视下呈大致圆形，相邻的3个凸部101a被配置为在俯视下位于大致等边三角形的顶点。相邻的凸部101a的顶点的间隔为2μm，凸部101a在俯视下的大致圆形的直径为1.2μm程度，凸部101a的高度为0.6μm程度。进而，基板101的上表面的凸部101a以及凹部101b具有图4所示的剖面，凸部101a具有前端部。
接下来，对形成凸部101a以及凹部101b后的基板101的上表面进行了RCA清洗。然后，在腔室中设置RCA清洗后的基板101并导入N2、O2和Ar，将基板101加热为650℃，通过溅射Al靶材的反应性溅射法，在具有凸部101a以及凹部101b的基板101的表面上，形成了由在基板101的表面的法线方向上伸长的晶粒一致的柱状结晶的集合体所构成的AlON结晶构成的厚度35nm的缓冲层102。
接下来，将形成有缓冲层102的基板101收纳在第一MOCVD装置内。然后，通过MOCVD法，在缓冲层102上使由未掺杂GaN构成的氮化物半导体基底层106生长，接着使由掺杂Si的n型GaN构成的第一n型氮化物半导体层108A生长。此时，将氮化物半导体基底层106的厚度设为3.8μm，将第一n型氮化物半导体层108A的厚度设为3μm，将第一n型氮化物半导体层108A中的n型掺杂物浓度设为1×1019/cm3。
另外，通过尽量增厚氮化物半导体基底层106的厚度，从而氮化物半导体基底层106中的缺陷减少，但纵使将氮化物半导体基底层106的厚度增厚到某种程度以上，氮化物半导体基底层106中的缺陷减少效果也会饱和。由此可知，氮化物半导体基底层106的厚度优选为1μm以上且8μm以下，更优选为3μm以上且5μm以下。
接下来，将从第一MOCVD装置取出的基板101收纳在第二MOCVD装置内。将基板101的温度设定为1250℃，使由厚度1.5μm的n型GaN层构成的第一n型氮化物半导体层108B(n型掺杂物浓度：1×1019/cm3)生长，从而形成了由第一n型氮化物半导体层108A和第一n型氮化物半导体层108B这2层的层叠体构成的第一n型氮化物半导体层108(平均n型掺杂物浓度：1×1019/cm3)。
接下来，在将基板101的温度保持为940℃的状态下，使厚度为360nm的由掺杂Si的n型GaN构成的第二n型氮化物半导体层110(平均n型掺杂物浓度：1×1018/cm3)生长。
接下来，使厚度为20nm的由掺杂Si的n型Al0.03Ga0.97N构成的n型电子注入层112(平均n型掺杂物浓度：1.5×1019/cm3)生长。
接下来，将基板101的温度下降为840℃，使发光层114生长。具体而言，如图3所示，使由未掺杂Al0.05Ga0.95N构成的各势垒层14B(14BZ、14B1～14B7、14B0)、和由未掺杂In0.11Ga0.89N构成的量子阱层14W(14W1～14W8)各1层地交替生长。势垒层14BZ以及14B1～14B7的厚度设为4.3nm，各量子阱层(14W1～14W8)的厚度设为2.9nm，势垒层14B0的厚度设定为8nm。
接下来，将基板101的温度提升至1200℃，在最后的势垒层14B0的上表面上分别使p型Al0.2Ga0.8N层、p型GaN层生长，来作为p型氮化物半导体层116、118。为了最终变为设为目标的p型掺杂物浓度，p型掺杂物原料流量不设为一定，而适当地发生变化。
另外，在上述各层的MOCVD生长中，作为Ga的原料气体而采用了TMG(三甲基镓)，作为Al的原料气体而采用了TMA(三甲基铝)，作为In的原料气体而采用了TMI(三甲基铟)，作为N的原料气体而采用了NH3。此外，作为n型掺杂物的Si的原料气体而采用了SiH4，作为p型掺杂物的Mg的原料气体而采用了Cp2Mg。但是，原料气体并不限定于上述气体，只要是可作为MOCVD用原料气体来采用的气体，则能够不受限定地进行采用。具体而言，作为Ga的原料气体能够采用TEG(三乙基镓)，作为Al的原料气体能够采用TEA(三乙基铝)，作为In的原料气体能够采用TEI(三乙基铟)，作为N的原料气体能够采用DMHy(二甲基肼)等的有机氮化合物，作为Si的原料气体能够采用Si2H6或者有机Si等。
接下来，对p型氮化物半导体层118、p型氮化物半导体层116、发光层114、n型电子注入层112、第二n型氮化物半导体层110以及第一n型氮化物半导体层108B的一部分进行了蚀刻，使得第一n型氮化物半导体层108B的表面的一部分露出。在通过该蚀刻而露出的第一n型氮化物半导体层108B的上表面上，形成了由Au构成的n电极126。此外，在p型氮化物半导体层118的上表面上，依次形成了由ITO构成的透明电极层122和由Au构成的p电极124。此外，形成了由SiO2构成的透明绝缘保护膜128，以便主要覆盖透明电极层122以及通过上述蚀刻而露出的各层的侧面。
接下来，将基板101分割为440×530μm尺寸的芯片，将各芯片安装于表面安装型封装件，通过引线接合法而将p电极124以及n电极126连接至封装件侧的电极，对芯片进行了树脂密封。由此，获得了实施例1的氮化物半导体发光元件。实施例1的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长约为405nm，在工作电流为50mA(约42mA/cm2)下获得了72.5mW的光输出(发光强度)。
此外，为了调查实施例1的氮化物半导体发光元件的效果，除了省略n型电子注入层112的形成以外与实施例1同样地制造了比较例的氮化物半导体发光元件。
并且，使实施例1的氮化物半导体发光元件和比较例的氮化物半导体发光元件分别以电流密度为120mA/cm2这样的大电流密度来工作的结果，确认出：实施例1的氮化物半导体发光元件的发光效率较之于比较例的氮化物半导体发光元件的发光效率，能够改善几％～10％。
此外，使实施例1的氮化物半导体发光元件的n型电子注入层112的Alx3Gay3N的组成式的Al的组成比x3在0～0.09的范围发生变化的情况下(x3＝0，0.01，0.03，0.05，0.07，0.09)、以及使n型电子注入层112的平均n型掺杂物浓度在7×1018/cm3～3×1019/cm3的范围发生变化的情况下(7×1018/cm3，1×1019/cm3，1.5×1019/cm3，2.2×1019/cm3，3×1019/cm3)的任意情况下，均可获得与上述同样的结果，但确认出：在将Al的组成比x3设为0.01以上且0.05以下的情况下，发光效率的改善效果特别优异。
<实施例2>
以下，说明图5的示意性剖视图所示的实施例2的氮化物半导体发光元件的制造方法。首先，与实施例1同样地，在形成凸部101a以及凹部101b后的基板101的上表面，依次形成了缓冲层102、氮化物半导体基底层106、第一n型氮化物半导体层108A以及第一n型氮化物半导体层108B。
接下来，在将基板101的温度保持为940℃的状态下，通过MOCVD法依次使厚度为295nm的由掺杂Si的n型GaN构成的第二n型氮化物半导体层210A(n型掺杂物浓度：6×1018/cm3)、厚度为50nm的由掺杂Si的n型GaN构成的第二n型氮化物半导体层210B(n型掺杂物浓度：7×1017/cm3)、以及厚度为15nm的由掺杂Si的n型GaN构成的第二n型氮化物半导体层210C(n型掺杂物浓度：6×1018/cm3)生长，从而形成了由第二n型氮化物半导体层210A、210B、210C的3层的层叠体构成的第二n型氮化物半导体层210。另外，第二n型氮化物半导体层210的平均n型掺杂物浓度为{6×1018×(295+15)+7×1017×50}/(295+50+15)≈5.26×1018/cm3。
然后，除了将Alx3Gay3N的组成式的Al的组成比x3设为0.02来形成了n型电子注入层112(平均n型掺杂物浓度：1.5×1019/cm3)以外，与实施例1同样地制造了实施例2的氮化物半导体发光元件。实施例2的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为405nm。
并且，使实施例2的氮化物半导体发光元件以电流密度为120mA/cm2这样的大电流密度来工作的结果，确认出：实施例2的氮化物半导体发光元件的发光效率较之于比较例的氮化物半导体发光元件的发光效率，能够改善几％～10％。
此外，在实施例2的氮化物半导体发光元件中确认出：由分别以中浓度、低浓度以及中浓度掺杂了n型掺杂物的第二n型氮化物半导体层210A、210B、210C的3层的层叠体来构成了第二n型氮化物半导体层210，因此不会使氮化物半导体发光元件的静电耐压劣化，能够进一步降低工作电压。
此外，使实施例2的氮化物半导体发光元件的n型电子注入层112的厚度在5～100nm发生变化的情况下(5nm、10nm、20nm、50nm以及100nm)的任意情况下，均可获得与上述同样的结果，但确认出：在将n型电子注入层112的厚度设为10nm以上且100nm以下的情况下，发光效率的改善效果特别优异。
<实施例3>
以下，说明图6的示意性剖视图所示的实施例3的氮化物半导体发光元件的制造方法。首先，与实施例1同样地，在形成凸部101a以及凹部101b后的基板101的上表面，依次形成了缓冲层102、氮化物半导体基底层106、第一n型氮化物半导体层108A以及第一n型氮化物半导体层108B。
接下来，在将基板101的温度保持为940℃的状态下，通过MOCVD法使厚度为64nm的由掺杂Si的n型GaN构成的第二n型氮化物半导体层310A(n型掺杂物浓度：7×1017/cm3)生长之后，通过MOCVD法使厚度为2nm的未掺杂In0.04Ga0.96N层和厚度为2nm的未掺杂GaN层的交替层叠体即超晶格构造的第二n型氮化物半导体层310B生长，从而形成了由第二n型氮化物半导体层310A、310B的2层的层叠体构成的第二n型氮化物半导体层310。另外，第二n型氮化物半导体层310的平均n型掺杂物浓度为(7×1017×64)/(64+2+2)≈6.59×1017/cm3。
然后，除了将Alx3Gay3N的组成式的Al的组成比x3设为0.03来形成n型电子注入层112(平均n型掺杂物浓度：1.5×1019/cm3)、并且形成由未掺杂In0.18Ga0.82N构成的量子阱层14W(14W1～14W8)以外，与实施例1同样地制造了实施例3的氮化物半导体发光元件。实施例3的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为445nm。
并且，使实施例3的氮化物半导体发光元件以电流密度为120mA/cm2这样的大电流密度来工作的结果，确认出：实施例3的氮化物半导体发光元件的发光效率较之于实施例1以及2的氮化物半导体发光元件，能够使发光效率进一步改善2～5％程度。认为这是由于具有超晶格构造的第二n型氮化物半导体层310能够缓和在第二n型氮化物半导体层310上生长的氮化物半导体层的结晶缺陷的缘故。
此外，在实施例3中，在发光峰值波长为445nm这样的约450nm的氮化物半导体发光元件中，虽然将n型电子注入层112的正下方的层设为未掺杂In0.04Ga0.96N层和未掺杂GaN层的交替层叠体即超晶格构造的第二n型氮化物半导体层310B，但也可以将这种超晶格构造适用于发光峰值波长为405nm以及385nm这样的更短波长的氮化物半导体发光元件。
<实施例4>
以下，说明图7的示意性剖视图所示的实施例4的氮化物半导体发光元件的制造方法。首先，与实施例1同样地，在形成凸部101a以及凹部101b后的基板101的上表面，依次形成了缓冲层102、氮化物半导体基底层106、第一n型氮化物半导体层108A以及第一n型氮化物半导体层108B。
接下来，在将基板101的温度保持为940℃的状态下，通过MOCVD法使厚度为280nm的由掺杂Si的n型GaN构成的第二n型氮化物半导体层410A(n型掺杂物浓度：7×1017/cm3)生长之后，通过MOCVD法使厚度为2nm的未掺杂Al0.02Ga0.98N层和厚度为2nm的未掺杂GaN层的交替层叠体即超晶格构造的第二n型氮化物半导体层410B生长，从而形成了由第二n型氮化物半导体层410A、410B的2层的层叠体构成的第二n型氮化物半导体层410。另外，第二n型氮化物半导体层410的平均n型掺杂物浓度为(7×1017×280)/(280+2+2)≈6.90×1017/cm3。
然后，除了将Alx3Gay3N的组成式的Al的组成比x3设为0.07来形成n型电子注入层112(平均n型掺杂物浓度：1.5×1019/cm3)、并且由未掺杂AlGaInN来形成各势垒层14B(14BZ、14B1～14B7、14B0)、进而由未掺杂In0.06Ga0.94N来形成量子阱层14W(14W1～14W8)以外，与实施例1同样地制造了实施例4的氮化物半导体发光元件。实施例4的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为385nm，光输出为50mA。
由此确认出，即便是发光峰值波长为385nm这样的短波长的情况，通过高载流子浓度的电流注入层112也可实现良好的电流注入和空穴的溢出防止，并且对于第二n型氮化物半导体层410B而不采用InGaN，从而能够降低第二n型氮化物半导体层410B所引起的光吸收量，因此能够提升发光效率。
此外，为使发光峰值波长短波长化，优选将发光层114内的各势垒层14B(14BZ、14B1～14B7、14B0)设为AlGaN，但通过设为进一步加入In的四元混晶的AlGaInN，从而能够降低In的组成摇摆所相伴的结晶缺陷的影响。此外，关于量子阱层14W(14W1～14W8)，也是为了降低结晶缺陷，向GaN层混合In也会使发光峰值波长长波长化，因此进一步加入Al，从而能够调整波长，并且降低结晶缺陷的影响。
<实施例5>
以下，说明图8的示意性剖视图所示的实施例5的氮化物半导体发光元件的制造方法。
首先，如图8所示，作为基板采用了4英寸直径的Si基板501。先于氮化物系半导体层的结晶生长之前用氟酸系的蚀刻剂将Si基板501的表面氧化膜去除，然后将Si基板501置于MOCVD装置的腔室内。
接下来，在MOCVD装置内，将Si基板501加热为1100℃，在腔室内压力为13.3kPa的氢气氛下对Si基板501的表面((111)面)进行了清洗。
接下来，在维持Si基板501的温度和腔室内压力的同时，使NH3(12.5slm)在腔室内流动，从而对Si基板501的表面进行了氮化。接着，使流量为117μmol/min的TMA和流量为12.5slm的NH3在腔室内流动，从而在Si基板501的表面上通过MOCVD法生长了厚度为200nm的未掺杂的AlN层502。
接下来，将Si基板501的温度上升为1150℃，使流量为57μmol/min的TMG、流量为97μmol/m in的TMA、和流量为12.5slm的NH3在腔室内流动，从而在AlN层502的表面上通过MOCVD法生长了厚度为400nm的未掺杂的Al0.7Ga0.3N层503。
接下来，使流量为99μmol/min的TMG、流量为55μmol/min的TMA、和流量为12.5slm的NH3在腔室内流动，从而在Al0.7Ga0.3N层503的表面上通过MOCVD法生长了厚度为400nm的未掺杂的Al0.4Ga0.6N层504。
接下来，使流量为137μmol/min的TMG、流量为18μmol/min的TMA、和流量为12.5slm的NH3在腔室内流动，从而在Al0.4Ga0.6N层504的表面上通过MOCVD法生长了厚度为400nm的未掺杂的Al0.1Ga0.9N层505。
接下来，Si基板501的温度设为相同的状态下，在Al0.1Ga0.9N层505的表面上通过MOCVD法形成了将厚度5nm的AlN层和厚度20nm的Al0.1Ga0.9N层各1层地交替层叠了50个周期的多层缓冲层构造506。此时，AlN层通过使流量为102μmol/min的TMA和流量为12.5slm的NH3在腔室内流动，由此来生长。此外，Al0.1Ga0.9N层通过使流量为720μmol/min的TMG、流量为80μmol/min的TMA、和流量为12.5slm的NH3在腔室内流动，由此来生长。
然后，除了将Alx3Gay3N的组成式的Al的组成比x3设为0.04来形成n型电子注入层112(平均n型掺杂物浓度：1.5×1019/cm3)以外，与实施例2同样地制造了实施例5的氮化物半导体发光元件。实施例5的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为405nm。
并且，使实施例5的氮化物半导体发光元件以电流密度为120mA/cm2这样的大电流密度来工作的结果，确认出：实施例5的氮化物半导体发光元件的发光效率由于Si基板501的光吸收，变得低于实施例1～4的氮化物半导体发光元件的发光效率，但较之于比较例的氮化物半导体发光元件的发光效率却能够改善。另外，在实施例5的氮化物半导体发光元件中，通过去除Si基板501，从而能够预料发光效率的进一步提升。
<与本申请发明的效果相关的考察>
作为利用本申请所记载的新构造获得了良好结果的理由，本申请发明者们考虑以下的模式。
1.空穴阻挡效果：在例如短波长的发光峰值波长(约420nm以下的情况、实施例1、2以及5的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长405nm等)的氮化物半导体发光元件中，伴随着量子阱层的带隙变得大于蓝色(约450nm)，空穴易于移动至发光层的n型氮化物半导体层侧，但此时，高掺杂浓度的n型电子注入层作为防止空穴向n型氮化物半导体层侧的泄漏的空穴阻挡层起作用，因此认为氮化物半导体发光元件的发光效率得以提升。这也涉及到80℃以上这样的高温下的氮化物半导体发光元件的特性提升。
2.电子注入效果：作为与发光层邻接的n型电子注入层，导入平均n型掺杂物浓度比n型电子注入层的正下方的第二n型氮化物半导体层高的n型氮化物半导体层，从而电子向发光层的注入变得容易。其结果，n型电子注入层的带隙大的情况下变得更为显著。由此，能够降低工作电压。此外，由于“二维电子层效果”、即在n型电子注入层与第二n型氮化物半导体层之间有带隙差时伴随着带的弯曲而形成二维电子层的效果，也会促进电子的横向的扩展，有可能产生工作电压的降低效果。
3.静电耐压提升效果：本发明者们通过使第二n型氮化物半导体层的n型载流子浓度低于n型电子注入层的载流子浓度，并且使n型电子注入层变薄为例如20nm，从而假定有下述的效果，即，(i)对于n型电子注入层与第二n型氮化物半导体层之间的电子而言的势垒变小、以及(ii)在向氮化物半导体发光元件施加电压使之发光时耗尽层将越过薄的n型电子注入层而向平均n型掺杂物浓度低的第二n型氮化物半导体层扩展，由此电压梯度减少，静电耐压增加。
另外，这里所记载的理由终究只是推测，也有可能因其他理由而获得本发明的效果。
<总结>
本发明为一种氮化物半导体发光元件，依次具备第一n型氮化物半导体层、第二n型氮化物半导体层、n型电子注入层、发光层、和p型氮化物半导体层，第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度为第一n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的0.53倍以下，n型电子注入层的平均n型掺杂物浓度为第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的1.5倍以上。通过采用这种构成，从而即便在工作电流密度高的情况下也能够提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
此外，在本发明的氮化物半导体发光元件中，优选n型电子注入层的带隙大于第二n型氮化物半导体层的带隙，更优选由含Ga以及Al的氮化物半导体构成。通过采用这种构成，从而能够更良好地进行发光层内的电子/空穴的禁闭，因此即便在工作电流密度高的情况下也能够进一步提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
此外，在本发明的氮化物半导体发光元件中，优选的是，发光层包含量子阱层以及势垒层，由含Ga以及Al的氮化物半导体构成。通过采用这种构成，从而能够更良好地进行发光层内的电子/空穴的禁闭，因此即便在工作电流密度高的情况下也能够进一步提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
此外，在本发明的氮化物半导体发光元件中，优选n型电子注入层的厚度为10nm以上且100nm以下。通过采用这种构成，从而能够良好地进行电子向发光层内的注入，因此既能抑制静电耐压的劣化又能降低工作电压，并且由于能够更良好地进行发光层内的电子/空穴的禁闭，因此即便在工作电流密度高的情况下也能够进一步提高氮化物半导体发光元件的发光效率。
进而，优选本发明的氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为250nm以上且445nm以下。本发明对于发出发光峰值波长为250nm以上且445nm以下这样的短波长的光的氮化物半导体发光元件，非常有效地发挥作用。
如以上，对本发明的实施方式以及实施例进行了说明，但当初也预计到适当组合上述的各实施方式以及各实施例的构成的情形。
应认为本次公开的实施方式以及实施例在所有方面均为例示，并非限制性。本发明的范围通过权利要求书来示出而非上述的说明，旨在包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。
产业上的可利用性
本发明的氮化物半导体发光元件例如能够利用于一般照明、液晶用背光灯、显示、可见光通信、以及紫外线光源等。
符号说明
14W1、14W2、14W3、14W4、14W5、14W6量子阱层、14B0、14B1、14B2、14B3、14B4、14B5、14BZ势垒层、101基板、101a凸部、101b凹部、102缓冲层、106氮化物半导体基底层、108、108A、108B第一n型氮化物半导体层、110、210、210A、210B、210C、310、310A、310B、410、410A、410B第二n型氮化物半导体层、112n型电子注入层、114发光层、116、118p型氮化物半导体层、122透明电极层、124p电极、126n电极、128透明绝缘保护膜、501Si基板、502AlN层、503Al0.7Ga0.3N层、504Al0.4Ga0.6N层、505Al0.1Ga0.9N层、506多层缓冲层构造。

Claims (4)

1.一种氮化物半导体发光元件，依次具备第一n型氮化物半导体层、第二n型氮化物半导体层、n型电子注入层、发光层和p型氮化物半导体层，
所述第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度为所述第一n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的0.53倍以下，
所述n型电子注入层的平均n型掺杂物浓度为所述第二n型氮化物半导体层的平均n型掺杂物浓度的1.5倍以上，
所述n型电子注入层的带隙大于所述第二n型氮化物半导体层的带隙，
所述n型电子注入层含有Al。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其中，
所述发光层包含量子阱层以及势垒层，所述势垒层由含有Ga以及Al的氮化物半导体构成。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光元件，其中，
所述n型电子注入层的厚度为10nm以上且100nm以下。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其中，
所述氮化物半导体发光元件的发光峰值波长为250nm以上且445nm以下。
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