JP2009055023A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】量子障壁層と量子井戸層の正味分極電荷量の差を最小化することにより、高電流でも高い効率を得ることが出来る窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、複数の量子障壁層３０３ａと一つ以上の量子井戸層３０３ｂが交互に積層された構造を有する活性層を含み、上記量子障壁層の正味分極電荷量は上記量子井戸層の正味分極電荷量より小さいか同じで、ＧａＮの正味分極電荷量より大きい窒化物半導体発光素子を提供する。量子障壁層３０３ａと量子井戸層３０３ｂの正味分極電荷量の差を最少化することにより、高電流でも高い効率を得ることが出来る窒化物半導体発光素子を得ることが出来る。また、量子井戸層のエネルギー準位がベンディングされる程度を低減させることにより、高効率の窒化物半導体発光素子を得ることも出来る。
【選択図】図４

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するもので、より詳しくは、高電流印加時の発光効率の減少を最少化した窒化物半導体発光素子に関する。

半導体発光素子（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）は、電流が加わるとｐ、ｎ型半導体の接合部分で電子と正孔の再結合により、様々な色の光を発生させることが出来る半導体装置である。このようなＬＥＤは、フィラメントに基づいた発光素子に比べて長い寿命、低い電源、優れた初期駆動特性、高い振動抵抗及び反復的な電源断続に対する高い公差などの種々の長所を有するため、その需要が増加し続けている。特に、最近は、青色系列の短波長領域の光を発光することが出来るＩＩＩ族窒化物半導体が脚光を浴びている。

しかし、このようなＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、図１に図示された通り、低電流で使用する場合には効率が良いが、高電流を印加するときには量子効率が著しく低下（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｒｏｏｐ）する傾向をみせる。このような量子効率の低下は、最近の照明装置のように高電流でＬＥＤを使用しようとする試みが増加する傾向でさらに問題となっているが、これを解決するための完全な方案は未だ提示されていない。従って、当技術分野では高電流でも量子効率が高いため照明装置などに使用できる高効率の窒化物半導体発光素子が求められる。

本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の一目的は量子障壁層と量子井戸層の正味分極電荷量（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｅ）の差を最少化することにより、高電流でも高い効率を得ることが出来る窒化物半導体発光素子を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明の一実施形態は、
ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層を含み、上記量子障壁層の正味分極電荷量は上記量子井戸層の正味分極電荷量より小さいか同じで、ＧａＮの正味分極電荷量より大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によると、上記量子障壁層と上記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１５≦ｘ≦０．２５）の正味分極電荷量の差より小さいことが出来る。この場合、上記量子障壁層と上記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１５≦ｘ≦０．２５）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことが出来る。

本発明の実施形態によると、上記量子障壁層と上記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．３≦ｘ≦０．４）の正味分極電荷量の差より小さいことが出来る。この場合、上記量子障壁層と上記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．３≦ｘ≦０．４）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことが出来る。

本発明の実施形態によると、上記量子障壁層と上記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０≦ｘ≦０．１）の正味分極電荷量の差より小さいことが出来る。この場合、上記量子障壁層と上記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０≦ｘ≦０．１）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことが出来る。

また、上記活性層で相互隣接した量子障壁層と量子井戸層は正味分極電荷量が相互同じことも出来る。

好ましくは、上記量子障壁層はＧａＮと同じ大きさのバンドギャップエネルギーを有することが出来る。これとは異なって、上記量子障壁層のバンドギャップエネルギーは、ＧａＮよりは小さくＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりは大きいことも出来る。

本発明の実施例で、上記複数の量子障壁層のうち上記ｎ型窒化物半導体層と接する量子障壁層は、上記ｎ型窒化物半導体層との界面がｎ型ドーピングされたものであることができ、この場合、上記量子障壁層の上記界面はＳｉデルタドーピングされたものであることが出来る。

これと類似に、上記複数の量子障壁層のうち上記ｐ型窒化物半導体層と接する量子障壁層は、上記ｐ型窒化物半導体層との界面がｐ型ドーピングされたものであることができ、この場合、上記量子障壁層の上記界面はＭｇデルタドーピングされたものであることが出来る。

好ましくは、上記活性層と上記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層をさらに含むことが出来る。

一方、上記ｎ型窒化物半導体層に接して形成された成長用基板をさらに含み、上記ｎ型窒化物半導体層は上記基板の極性面上に形成されることが好ましい。具体的に、上記ｎ型窒化物半導体層はサファイア基板のＣ（０００１）面上に形成されることが出来る。

また、上記複数の量子障壁層の少なくとも一つは超格子構造を有することが出来る。この場合、超格子構造を有する上記量子障壁層はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる第１層とＧａＮからなる第２層が交互に積層された構造であることが出来る。

本発明の他の実施形態では、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層を含み、上記一つ以上の量子井戸層の少なくとも一つの量子井戸層は、伝導帯域のエネルギー準位の勾配は１／１５より小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

この場合、上記一つ以上の量子井戸層の少なくとも一つの量子井戸層は、伝導帯域のエネルギー準位が一定であることが出来る。

本発明によると、量子障壁層と量子井戸層の正味分極電荷量の差を最少化することにより、高電流でも高い効率を得ることが出来る窒化物半導体発光素子が得られる。また、量子井戸層のエネルギー準位がベンディングされる程度を低減させることにより、高効率の窒化物半導体発光素子を得ることも出来る。

以下、添付の図面を参照に本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な形態に変形することができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態により限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有している者に本発明をさらに完全に説明するため提供される。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のため誇張されることがあり、図面上の同じ符号で表される要素は同じ要素である。

図２ａは本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図で、図２ｂは図２ａにおいて活性層領域を拡大して表したものである。図２ａを参照すると、本実施形態による窒化物半導体発光素子２００は、基板２０１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３及びｐ型窒化物半導体層２０４を備えて構成され、上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２、２０４の所定の領域にはそれぞれｎ型及びｐ型電極２０５ａ、２０５ｂが形成されている。

上記基板２０１は、窒化物半導体層の成長のため提供されるものでサファイア基板を使用することが出来る。サファイア基板は六角−ロンボ型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体であって、ｃ軸及びａ側方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Åと４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。この場合、上記Ｃ面は比較的に窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使用される。

但し、上記Ｃ面は極性面であって、上記Ｃ面で成長された窒化物半導体層は、窒化物半導体固有のイオン結合（ｉｏｎｉｃｉｔｙ）特性と構造的な非対称性（格子定数ａ≠ｃ）により自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有することとなり、格子定数が異なる窒化物半導体が連続して積層される場合、半導体層に形成された変形により圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が発生する。この場合、２種類の分極の和を正味分極（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）という。このような正味分極により各界面に正味分極電荷（ｎｅｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｅ）が形成され、これによりエネルギー準位がベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）される。活性層内でエネルギー準位のベンディングは電子と正孔の波動関数を空間的に不一致させ、これにより発光効率が低下する。分極電荷による影響を減らし発光効率を向上させる技術は下に詳しく説明する。窒化物半導体成長用基板２０1としてサファイア基板の代わりにＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮなどからなる基板も使用可能である。

一方、本実施形態では窒化物半導体成長用基板２０１が含まれた水平構造の窒化物半導体発光素子を基準として説明したが、本発明は上記基板２０１が除去され電極が窒化物半導体層の積層方向に相互向い合うよう配置された垂直構造窒化物半導体発光素子にも適用されることが出来る。

上記ｎ型窒化物半導体層２０２及びｐ型窒化物半導体層２０４は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有し、それぞれｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表として、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅまたはＣなどが使用されることができ、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、ＺｎまたはＢｅなどが代表的である。上記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２、２０４は窒化物半導体層の成長に関して公知の工程を利用することができ、例えば、有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム成長法（ＭＢＥ）及びハイブリッド気相蒸着法（ＨＶＰＥ）などがこれに該当する。

上記活性層２０３は図２ｂに図示された通り、電子と正孔が再結合して発光するよう量子障壁層２０３ａと量子井戸層２０３ｂが交互に繰り返して積層された構造を有する。上記量子障壁層２０３ａはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０<ｙ≦１、０<ｘ＋ｙ≦１）からなることができ、上記量子井戸層２０３ｂはＩｎ_ｚＧａ_{（１−ｚ）}Ｎ（０≦ｚ≦１）からなることが出来る。特に、本実施形態の場合、上記量子障壁層２０３ａと上記量子井戸層２０３ｂの界面で正味分極電荷量の差は、一般的な量子障壁層／量子井戸層の界面での正味分極電荷量の差より小さいため、量子井戸層２０３ｂのエネルギー準位ベンディングを減少させることが出来る。この場合、一般的な量子障壁層／量子井戸層構造はＧａＮ／Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８を例としてあげることが出来る。

図３は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図である。図３を参照すると、本実施形態による窒化物半導体発光素子３００は、図２の構造のように、基板３０１、ｎ型窒化物半導体層３０２、活性層３０３、ｐ型窒化物半導体層３０４、ｎ型及びｐ型電極３０５ａ、３０５ｂを備え、電子遮断層３０６をさらに備える。上記電子遮断層３０６は上記活性層３０３と上記ｐ型窒化物半導体層３０４の間に形成され、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０<ｘ≦１）からなり高いエネルギー準位を有することにより、電子のオーバーフローイング（ｏｖｅｒｆｌｏｗｉｎｇ）を防ぐことが出来る。

図４は、図３の構造を有する窒化物半導体発光素子において活性層付近の伝導帯域エネルギー準位を表す。図４を参照すると、量子障壁層３０３ａと量子井戸層３０３ｂは正味分極電荷量の差によりエネルギー準位がベンディングされ、上記量子井戸層３０３ｂとしては通常の青色発光素子に使用されるＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを使用することが出来る。本実施形態の場合、上記量子障壁層３０３aはＧａＮより小さいエネルギー準位を有し、正味分極電荷量はＧａＮより大きく、これによって、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる量子井戸層３０３ｂとの界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮで量子障壁層を形成した場合に比べて小さくなる。

また、正味分極電荷量の差が減少することにより、量子井戸層３０３ｂの場合、伝導帯域でエネルギー準位がベンディングされた程度、即ち、図４に図示された通り、上記エネルギー準位の勾配（ｔａｎθ）が小さくなることができ、キャリアの再結合効率が向上し、さらに、従来の窒化物半導体発光素子で電流が増加する場合、発光波長が青色転移（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）することとは異なって、発光波長の電流依存度が殆ど無い優れた特性を具現することが出来る。この場合、ＧａＮ／Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ構造での正味分極電荷量の差による分極ポテンシャルの大きさが量子井戸層の厚さＷに対して約０．１ｅＶ／ｎｍ×Ｗであることを考えたとき、これを２／３以下に低めた場合、エネルギー準位のベンディングを緩和することが出来る。以下では、量子障壁層と量子井戸層の正味分極電荷量の差を減らす方法と、これによる効果を説明する。

図５は、ＡｌＩｎＧａＮ４元素半導体においてＡｌ（ｘ）とＩｎ（ｙ）の組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。この場合、バンドギャップエネルギーが同じ組成は点線で、正味分極電荷量が同じ組成は実線で表している。図５のグラフは３００Ｋ温度でＧａＮ層上に成長されたＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮのバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量を決めた後、各元素の格子定数及びボーイングパラメータ（ｂｏｗｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）を考えた計算により導出されたものである。

図５を参照すると、ＡｌＩｎＧａＮ半導体層はＡｌ含量が多くなるほどバンドギャップエネルギーは大きくなり正味分極電荷量は小さくなり、Ｉｎ含量が多くなるほどバンドギャップエネルギーは小さくなり正味分極電荷量は大きくなる傾向をみせる。しかし、Ａｌ、Ｉｎの含量変化によりバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量が変わる程度は相互異なるため、Ａｌ、Ｉｎ含量を適切に調節するとバンドギャップエネルギーを一定に維持しながらも正味分極電荷量を減らすことが出来ることが分かる。

より具体的に、図５に図示された通り、従来に使用されたＧａＮ量子障壁層の場合、バンドギャップエネルギーは３．４２００ｅＶで正味分極電荷量は−０．０３３９Ｃ／ｍ^２である。本実施形態で、バンドギャップエネルギーはＧａＮと類似するようにしてキャリアを拘束（ｃｏｎｆｉｎｅ）する機能は維持するが、量子井戸層との正味分極電荷量の差は減るよう５個の組成を決定して量子障壁層ＱＢ１〜ＱＢ５を形成した。下記に提示した表で、上記５個の量子障壁層ＱＢ１〜ＱＢ５のバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の計算結果を提示し、これを従来のＧａＮ量子障壁層及びＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層とともに表した。

この場合、ＱＢ１量子障壁層（Ａｌ_０．４Ｉｎ_０．３３Ｇａ_０．２７Ｎ）はＧａＮと同じバンドギャップエネルギーを有しながらＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層と正味分極電荷量が同じもので、ＱＢ２量子障壁層（Ａｌ_０．４Ｉｎ_０．３３Ｇａ_０．２７Ｎ）はＧａＮと同じバンドギャップエネルギーを有しながらＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層との正味分極電荷量の差がＧａＮに比べて半分になるよう設定されたものである。また、ＧａＮより低いバンドギャップエネルギーを有しながらＧａＮに比べてＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層と正味分極電荷量の差が減った他の組成ＱＢ３、ＱＢ４、ＱＢ５を選択した。

一方、先の例ではＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層を使用したことを説明したが、より一般的な青色発光素子ではＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１５≦ｘ≦０．２５）量子井戸層を、緑色発光素子ではＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．３≦ｘ≦０．４）量子井戸層を、紫外線発光素子ではＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０≦ｘ≦０．１）量子井戸層を使用することができ、それぞれに対する量子障壁層は図５で説明したような原理で決定されることが出来る。

図６は表１のように選択された５個の組成例ＱＢ１〜ＱＢ５と比較例（ＧａＮ量子障壁層）を有する量子障壁層において、電流変化による内部量子効率をシミュレーションして表したもので、図７は駆動電圧と電流との関係を表したものである。この場合、発光波長は４５０ｎｍで温度条件は３００Ｋに設定した。但し、半導体層の結晶性などによる影響が考えられていない。

図６を参照すると、本実施形態で選択された量子障壁層ＱＢ１〜ＱＢ５を使用する場合、ＧａＮ量子障壁層Ｒｅｆ．に比べて内部量子効率が大きく向上したことが確認でき、特に、ＡｌとＩｎの含量が相対的に低いＱＢ３〜ＱＢ５で優れた効果を奏した。また、高電流で内部量子効率の場合、ＧａＮ量子障壁層Ｒｅｆ．は最大量子効率に比べて３５０ｍＡでの量子効率が約２５％程度減少するが、本実施形態では約５％減少にとどまり従来の高電流印加による問題が解消できることが分かる。このような効果は量子障壁層と量子井戸層間の正味分極電荷量の差の減少により量子井戸層エネルギー準位のベンディングが減少したことによるものと理解できる。次に、図７を参照すると、従来のＧａＮ量子障壁層Ｒｅｆ．を使用した場合に比べて本実施形態による量子障壁層ＱＢ１〜ＱＢ５を使用した場合に駆動電圧が著しく減少したことが確認できる。

一方、本実施形態ではＡｌ、Ｉｎの組成を調節する方法を例として挙げたが、これは量子障壁層と量子井戸層間の正味分極電荷量の差を減らしたり、量子井戸層のエネルギー準位がベンディングされた程度を減らすことの出来る一つの方案であって、本発明はこれに制限されるものではない。

上述のように量子障壁層と量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差を減らす場合、隣接した他の層との関係で正味分極電荷量の差が生じることがあり、これを解決する方案としてデルタドーピングを利用することが出来る。

図８は、窒化物半導体発光構造物の活性層の周辺で正味分極電荷量を模式的に表したもので、図８ａ及び８ｂはそれぞれ従来技術及び本発明の場合を表す。

図８ａを参照すると、量子障壁層ＱＢと量子井戸層ＱＷは相互正味分極電荷量が異なり本発明のように上記正味分極電荷量が同じであるよう合わせることが出来る。しかし、このため量子障壁層ＱＢの正味分極電荷量を増加させる場合、隣接したｎ型窒化物半導体層ｎ−ＧａＮや電子遮断層ＥＢＬと正味分極電荷量の差が発生することができ、これは発光効率の低下をもたらす。

従って、量子障壁層ＱＢと量子井戸層ＱＷの界面及び隣接した他の層との関係も考えて、図８ｂに図示された通り、上記ｎ型窒化物半導体層ｎ−ＧａＮと隣接した量子障壁層ＱＢの界面はＳｉでデルタドーピングされることができ、これと類似な方式で、上記電子遮断層ＥＢＬまたはｐ型窒化物半導体層ｐ−ＧａＮと隣接した量子障壁層ＱＢの界面はＭｇでデルタドーピングされることが出来る。これによって、発光構造物の全体的に各界面の正味分極電荷量を一致させることにより、発光効率のより大きい向上を期待することが出来る。

図９は、図３の実施形態で変形された構造の量子障壁層の伝導帯域エネルギー準位を表したものである。本実施形態の場合、量子障壁層（ＱＢ）が超格子構造を有する。上記超格子構造の一つの例として、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる第１層と、ＧａＮからなる第２層が交互に積層された構造を使用することができ、上記第１層は図５で説明したＱＢ５量子障壁層に該当する。また、上記第１層として図５で説明したＱＢ１〜ＱＢ４の量子障壁層を使用することも出来る。図１０は図９の構造を有する発光素子の特性をみるためのもので、電流密度（チップサイズ：１ｍｍ^２）による外部量子効率の変化を表したグラフである。ここで、実施例２が図９の構造に該当し、比較例はＧａＮ量子障壁層／Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層構造で、実施例１はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ量子障壁層／Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ量子井戸層の構造に該当する。

図１０を参照すると、比較例に比べて実施例１及び２が高電流で効率が高いことがみられ、特に、超格子構造を使用する実施例２が実施例１に比べてより優れることが確認できる。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有している者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能で、これもまた本発明の範囲に属する。

従来の技術による窒化物半導体発光素子において電流と量子効率の関係を表したものである。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図である。 図２ａにおいて活性層領域を拡大して表したものである。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を表した断面図である。 図３の構造を有する窒化物半導体発光素子において活性層付近の伝導帯域エネルギー準位を表す。 ＡｌＩｎＧａＮ４元素半導体でＡｌ（ｘ）とＩｎ（ｙ）の組成によるバンドギャップエネルギー及び正味分極電荷量の変化を表したものである。 表１のように選択された５個の組成例（ＱＢ１〜ＱＢ５）と比較例（ＧａＮ量子障壁層）を有する量子障壁層において、電流変化による内部量子効率をシミュレーションして表したものである。 表１のように選択された５個の組成例（ＱＢ１〜ＱＢ５）と比較例（ＧａＮ量子障壁層）を有する量子障壁層において、駆動電圧と電流との関係を表したものである。 窒化物半導体発光構造物の活性層周辺において正味分極電荷量を模式的に表したもので、図８ａ及び８ｂはそれぞれ従来技術及び本発明の場合を表す。 図３の実施形態で変形された構造の量子障壁層の伝導帯域エネルギー準位を表したものである。 図９の構造を有する発光素子の特性をみるためのもので、電流密度（チップサイズ：１ｍｍ^２）による外部量子効率の変化を表したグラフである。

符号の説明

２０１ 基板
２０２ ｎ型窒化物半導体層
２０３ 活性層
２０４ ｐ型窒化物半導体層
２０５ａ、２０５ｂ ｎ型及びｐ型電極
３０６ 電子遮断層

Claims (20)

1. ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層とを含み、
   前記量子障壁層の正味分極電荷量は、前記量子井戸層の正味分極電荷量より小さいか同じで、ＧａＮの正味分極電荷量より大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記量子障壁層と前記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１５≦ｘ≦０．２５）の正味分極電荷量の差より小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記量子障壁層と前記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．１５≦ｘ≦０．２５）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記量子障壁層と前記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．３≦ｘ≦０．４）の正味分極電荷量の差より小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記量子障壁層と前記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０．３≦ｘ≦０．４）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記量子障壁層と前記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０≦ｘ≦０．１）の正味分極電荷量の差より小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記量子障壁層と前記量子井戸層の界面で正味分極電荷量の差は、ＧａＮとＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０≦ｘ≦０．１）の正味分極電荷量の差の半分より小さいことを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記活性層で相互隣接した量子障壁層と量子井戸層は、正味分極電荷量が相互同じであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記量子障壁層は、ＧａＮと同じ大きさのバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記量子障壁層のバンドギャップエネルギーは、ＧａＮよりは小さくＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりは大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記複数の量子障壁層のうち前記ｎ型窒化物半導体層と接する量子障壁層は、前記ｎ型窒化物半導体層との界面がｎ型ドーピングされたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記量子障壁層の前記界面は、Ｓｉデルタドーピングされたことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記複数の量子障壁層のうち前記ｐ型窒化物半導体層と接する量子障壁層は、前記ｐ型窒化物半導体層との界面がｐ型ドーピングされたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
14. 前記量子障壁層の前記界面は、Ｍｇデルタドーピングされたことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子。
15. 前記活性層と前記ｐ型窒化物半導体層の間に形成された電子遮断層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
16. 前記ｎ型窒化物半導体層に接して形成された成長用基板をさらに含み、前記ｎ型窒化物半導体層は前記基板の極性面上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
17. 前記ｎ型窒化物半導体層は、サファイア基板のＣ（０００１）面上に形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子。
18. 前記複数の量子障壁層の少なくとも一つは、超格子構造を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
19. 超格子構造を有する前記量子障壁層は、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる第１層とＧａＮからなる第２層が交互に積層された構造であることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体発光素子。
20. ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、
    前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され複数の量子障壁層と一つ以上の量子井戸層が交互に積層された構造を有する活性層とを含み、
    前記一つ以上の量子井戸層の少なくとも一つの量子井戸層は伝導帯域のエネルギー準位が一定であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。

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