JP2014146731A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層へのクラックの発生を抑制し、かつ、発光出力を向上したIII族窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明のIII族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型クラッド層１４、活性層２０、ｐ型クラッド層１６を順次有する。活性層２０は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層２２とIII族窒化物半導体からなる井戸層２４とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する。障壁層２２のＡｌ含有率Ｘは、中間障壁層２２Ｃのうち最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎをとる中間障壁層を基準として、ｎ型クラッド層１４側の第１障壁層２２Ａおよびｐ型クラッド層１６側の第２障壁層２２Ｂに向かうほど漸増する。第１障壁層２２ＡのＡｌ含有率Ｘ１、第２障壁層２２ＢのＡｌ含有率Ｘ２、およびＸｍｉｎが、Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１およびＸｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２の関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体発光素子に関する。

Ａｌ，Ｇａ，ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、直接遷移型バンド構造をもつワイドバンドギャップ半導体であり、幅広い応用分野が期待される材料である。特に、活性層にIII族窒化物半導体を用いた発光素子は、III族元素の含有比率を調整することで２００ｎｍという深紫外光から可視光領域までをカバーすることができ、種々の光源への実用化が進められている。

一般的なIII族窒化物半導体発光素子は、サファイア等の基板上に、バッファ層を介してｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順次形成し、さらに、ｎ型クラッド層と電気的に接続するｎ側電極、ｐ型クラッド層と電気的に接続するｐ側電極を形成することにより得られる。そして、活性層には、III族窒化物半導体からなる障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いる。

ここで、特許文献１には、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ障壁層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ井戸層とを交互に積層したＭＱＷ構造の活性層を有する３８０ｎｍ以下の短波長発光素子が記載されている。本文献にはその一例として、６層の障壁層と、それらの間に１層ずつ位置する５層の井戸層からなる活性層において、井戸層のＡｌ含有率ｙを０．０５とし、障壁層のＡｌ含有率ｘを、最下および最上の障壁層で０．１５、中間の４層の障壁層で０．１０とした構造が記載されている（実施例１５）。

特開２００３−１１５６４２号公報

III族窒化物半導体発光素子は、殺菌、浄水、医療、照明、高密度光記録などの幅広い分野で用いることができる発光素子として近年注目されており、より高い発光出力を得ることが求められている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載されたものをはじめ従来のIII族窒化物半導体発光素子には、発光出力をより向上できる余地があることが判明した。また、活性層にクラックが発生すると素子破壊の原因になることから、活性層にクラックのあるIII族窒化物半導体素子は、発光素子としては不適格なものである。よって、発光出力の向上は、活性層にクラックが発生しないという前提のうえで実現すべき課題である。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、活性層へのクラックの発生を抑制し、かつ、発光出力を向上したIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

この目的を達成することが可能な本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記活性層が、前記ｎ型クラッド層側の第１障壁層、前記ｐ型クラッド層側の第２障壁層、ならびに前記第１および第２障壁層の間に位置する１層以上の中間障壁層を含む、３層以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層と、該障壁層の間に挟まれたIII族窒化物半導体からなる２層以上の井戸層と、を含む多重量子井戸構造を有し、前記障壁層のＡｌ含有率Ｘが、前記中間障壁層のうち最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎをとる中間障壁層を基準として、前記第１障壁層および前記第２障壁層に向かって漸増し、前記第１障壁層のＡｌ含有率Ｘ１、前記第２障壁層のＡｌ含有率Ｘ２、および前記Ｘｍｉｎが下記（１）式および（２）式の関係を満たすことを特徴とする。
記
Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１ ・・・（１）
Ｘｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２ ・・・（２）

本発明において、前記ｎ型クラッド層は、Ａｌ含有率が０以上１未満のｎ型ＡｌＧａＮからなり、前記第１障壁層との接触部のＡｌ含有率Ｘｎが、Ｘ１≦Ｘｎ＜１を満たすことが好ましい。

本発明において、前記ｐ型クラッド層は、Ａｌ含有率が０以上１未満のｐ型ＡｌＧａＮからなることが好ましい。

本発明において、前記井戸層がＡｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ＜１，０≦ｂ＜０．１，ａ＋ｂ＜１）からなることが好ましい。この場合、前記Ｘｍｉｎをとる中間障壁層のバンドギャップは、前記井戸層のバンドギャップよりも０．２ｅＶ以上大きいことが好ましい。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子によれば、活性層へのクラックの発生を抑制し、かつ、発光出力を向上させることができる。

本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の模式断面図である。 活性層の模式断面図に併せて、実施例および比較例における、活性層中のＩｎ含有率（％）およびＡｌ含有率（％）を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明のIII族窒化物半導体発光素子の実施形態を説明する。図１に、本発明の一実施形態であるIII族窒化物半導体発光素子１００の断面構造を模式的に示す。

III族窒化物半導体発光素子１００は、サファイア等の基板１０上に、低温成長ＧａＮ等からなるバッファ層１２、ＳｉドープＡｌＧａＮ等からなるｎ型クラッド層１４、活性層２０、ＭｇドープＧａＮ等からなるｐ型クラッド層１６、および、ドープ量をｐ型クラッド層１６よりも増やしたＭｇドープＧａＮ等からなるｐ型コンタクト層１８を順次形成してなる。すなわち、III族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型クラッド層１４とｐ型クラッド層１６との間に活性層２０を有する構造をもつ。

活性層２０は多重量子井戸構造を有し、３層以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層２２と、これらの障壁層の間に挟まれたＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等のIII族窒化物半導体からなる２層以上の井戸層２４と、を含む。ここで、本明細書では障壁層２２を、ｎ型クラッド層１４側の第１障壁層２２Ａ、ｐ型クラッド層１６側の第２障壁層２２Ｂ、ならびに第１障壁層２２Ａおよび第２障壁層２２Ｂの間に位置する１層以上の中間障壁層２２Ｃに分類する。

本発明の特徴的構成は、活性層２０中のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層２２のＡｌ含有率Ｘの分布にある。まず、障壁層２２のＡｌ含有率Ｘは、中間障壁層２２Ｃのうち最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎをとる中間障壁層を基準として、第１障壁層２２Ａおよび第２障壁層２２Ｂに向かって漸増する。つまり、最小のＡｌ含有率をとる中間障壁層２２Ｃから、活性層の最下および最上の障壁層２２Ａ，２２Ｂに向かって段階的にＡｌ含有率を高くする。その上で、本発明では、第１障壁層２２ＡのＡｌ含有率Ｘ１、第２障壁層２２ＢのＡｌ含有率Ｘ２、およびＸｍｉｎが下記（１）式および（２）式の関係を満たすようにすることを特徴とする。
記
Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１ ・・・（１）
Ｘｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２ ・・・（２）

本発明者は、III族窒化物半導体発光素子の発光出力を向上させるべく、活性層中のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層のＡｌ含有率Ｘの分布に着目して種々検討を行い、以下の知見を得た。まず、全ての障壁層のＡｌ含有率を同じとする場合に比べて、いずれかの中間障壁層から活性層の最下および最上の障壁層に向かって段階的にＡｌ含有率を高くし、最下の障壁層と最上の障壁層のＡｌ含有率を等しくした場合は、発光出力が多少向上することがわかった。これは、特許文献１に記載された構成と同様である。

しかし、本発明者はさらに発光効率を向上させるべく検討を続けたところ、上記のような段階的なＡｌ含有率分布を維持しつつ、ｐ型クラッド層１６側の第２障壁層２２ＢのＡｌ含有率Ｘ２を、ｎ型クラッド層１４側の第１障壁層２２ＡのＡｌ含有率Ｘ１よりも小さく、具体的には（Ｘ１−０．０１）以下とすることによって、さらに発光出力を向上できることがわかり、また、活性層にクラックが発生することもなかった。

なお、本発明者の検討によると、Ｘ２をＸ１よりも大きくした場合（比較例３）には、活性層にクラックが発生してしまい、発光素子としては不適格なものであった。

このような作用効果が得られた理由としては、従来技術では、井戸層に対して伸張歪を印加するＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層が、単調に多層化につれ、その歪を蓄積し、活性層の結晶性の劣化やクラックを誘発してしまうところを、Ｘ２をＸ１より小さくしていくことにより、井戸層との格子定数差を小さくすることができ、多層化するにつれ起こり得る活性層の結晶性の劣化やクラックを誘発し難くできたためと考えられる。

また、第２障壁層２２ＢのＡｌ含有率Ｘ２を小さくしすぎて、中間障壁層２２Ｃのうち最小のＡｌ含有率ＸｍｉｎとＸ２との差が０．０３より小さくなると、ｎ型クラッド層を通じて供給される電子が活性層から漏れ出る割合が増え（キャリア・オーバーフロー）、投入電力に対する発光へ寄与するキャリア成分の割合が律速し、漏れ出たキャリアが最終的に熱に変わることによって発光効率が著しく低下するため、発光出力の向上の効果を得ることができない。よって、本発明では、Ｘｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２である必要がある。

基板１０は特に限定されず、例えば、サファイア基板、Ｓｉ単結晶基板、ＡｌＮ単結晶基板とすることができる。また、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮのようなベース基板上に少なくともＡｌを含むIII族窒化物半導体を有するテンプレート基板としてもよい。さらに、サファイアの表面を窒化してなる表面窒化サファイア基板や、金属窒化物の層、あるいは、金属酸化物を含むケミカルリフトオフ用の層を表面に有する基板を用いてもよい。

バッファ層１２は、基板１０とｎ型クラッド層１４との格子不整合や熱膨張差に起因する転位や歪を緩和する役割を担うものであり、基板１０とｎ型クラッド層１４の種類によって公知のものを選択することができる。バッファ層１２の好適な材料としては例えば、アンドープのＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなどが挙げられる。厚みは、好適には０．５〜２０μｍである。バッファ層１２は単層、あるいは超格子のような積層構造などとすることができる。なお、アンドープとは、意図的に不純物をドープしないことを指し、装置起因や拡散等による不可避的不純物は有ってもよい。

活性層２０中の障壁層２２はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなるものであれば特に限定されないが、Ｘ１，Ｘ２，Ｘｍｉｎを含むＡｌ含有率Ｘは、０≦Ｘ≦０．７の範囲で分布させることが好ましく、発光ピーク波長が近紫外領域となる井戸層の組成域では、より好適には０≦Ｘ≦０．１５である。Ｘが０．７以下であれば、活性層にクラックが発生しにくく、窒化物半導体素子としての信頼性が高い。

０≦Ｘ≦０．７の範囲において、Ｘ１−Ｘ２は、０．０１以上０．１５以下とすることが好ましい。０．０１以上とすれば、キャリア・オーバーフローを十分に抑制することができ、０．１５以下とすれば、活性層へのクラックの発生を十分に抑制できるからである。

本明細書において「Ａｌ含有率が漸増する」とは、Ａｌ含有率が減少することなく、維持または増加することによって、任意の中間障壁層２２Ｃから第１および第２障壁層２２Ａ，２２Ｂに向かって段階的にＡｌ障壁層が増えることを意味する。つまり、Ａｌ含有率Ｘが第１障壁層から第２障壁層に向かって、全体的に高→低→高という分布になっていれば、隣接する障壁層でＡｌ含有率が同一となる場合があることを排除するものではない。ただし、本発明の効果を十分に得る観点からは、隣接する障壁層間のＡｌ含有率差は、０．０１以上とすることが好ましい。また、隣接する障壁層間のＡｌ含有率差は、活性層へのクラックの発生を十分に抑制する観点から、０．１５以下とすることが好ましい。また、Ｘｍｉｎをとる中間障壁層２２Ｃは２層以上でもよい。

中間障壁層２２は、ｉ型またはｎ型とすることが好ましい。特に、発光出力をより向上する観点から、ｎ型クラッド層１４側の障壁層（例えば、第１障壁層２２Ａ、および中間障壁層２２Ｃのうちｎ型クラッド層１４側の何層か）をｎ型とし、ｐ型クラッド層１６側の障壁層（例えば第２障壁層２２Ｂ、および中間障壁層２２Ｃのうちｐ型クラッド層１６側の何層か）をｉ型とすることが好ましい。ｎ型不純物としては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｏ，Ｔｉ，Ｚｒ等が例示できる。

活性層２０中の井戸層２４は、全ての障壁層２２よりもバンドギャップの小さいIII族窒化物半導体からなるものであれば特に限定されず、例えばｉ型のＩｎＧａＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等を挙げることができる。活性層２０からの発光ピーク波長は、井戸層２４の材料のIII族元素の含有比率に依存する。井戸層２４は特に、Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ＜１，０≦ｂ＜０．１，ａ＋ｂ＜１）からなるものとすることが好ましい。この場合、発光ピーク波長は１９７〜４２０ｎｍの紫外領域となる。特に、ａ＝０，０≦ｂ＜０．１とすれば、発光ピーク波長は、３６５〜４２０ｎｍの近紫外領域となり、ｂ＝０とすれば、発光ピーク波長は３６５ｎｍ以下の紫外領域となる。

ここで、Ｘｍｉｎをとる中間障壁層のバンドギャップＥ１は、Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ＜１，０≦ｂ＜０．１，ａ＋ｂ＜１）からなる井戸層のバンドギャップＥ２よりも０．２ｅＶ以上大きくすることが好ましい。活性層内の各井戸層と隣り合う各障壁層との間で、過剰なキャリア・オーバーフローを生じさせない最低限のバンドギャップ差を確保する必要があるからである。

なお、バンドギャップの値は、Light-Emitting Diodes SECOND EDITION, Cambridge University Press, E. F. Schubert著，2006.から以下の式のＶｅｇａｒｄ則により求めることができる。
Ｅ１＝３．４２＋２．８６Ｘｍｉｎ−Ｘｍｉｎ（１−Ｘｍｉｎ）
Ｅ２＝３．４２＋２．８６ａ−ａ（１−ａ）−２．６５ｂ−２．４ｂ（１−ｂ）
例えば、波長３８３ｎｍ（３．２４ｅＶ）で発光する井戸層Ｉｎ_{０．０３７}Ｇａ_{０．９６３}Ｎに対する障壁層のＡｌ含有率Ｘｍｉｎは、０．０１以上とすることが好ましいと求めることができる。なお、後述の実施例の井戸層Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎでは、Ｘｍｉｎが０であっても０．２ｅＶ以上大きい。井戸層がＩｎを含まない（ｂ＝０）の場合は、Ａｌ含有率Ｘｍｉｎは、井戸層のＡｌ含有率より０．１１以上大きくすることが好ましい。

障壁層２２および井戸層２４の厚さは、それぞれ１〜５ｎｍ、３〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。また、前記井戸層２４の膜厚が、障壁層２２の膜厚よりも小さいことが好ましい。活性層２０の総厚さは、少なくとも１５ｎｍ以上とすることができる。

ｎ型クラッド層１４は特に限定されないが、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｏ，Ｔｉ，Ｚｒ等のｎ型不純物をドープしたＡｌ含有率が０以上１未満のＡｌＧａＮとすることができる。その場合、Ａｌ含有率が厚さ方向で変化しない単一組成のＡｌＧａＮ層でもよいし、Ａｌ含有率を厚さ方向で第１障壁層２２Ａに近いほど高くした組成傾斜ＡｌＧａＮ層としてもよい。その際、第１障壁層との接触部のＡｌ含有率Ｘｎは、活性層へのクラックの発生を十分に抑制する観点から、Ｘ１≦Ｘｎ＜１を満たすものとすることが好ましい。Ｘｎ−Ｘ１は０以上０．３以下とすることがより好ましく、Ｘ１＝Ｘｎとすることがさらに好ましい。０．３以下とすれば、ｎ型クラッド層と活性層との格子定数差が大きくなりすぎず、活性層へのクラックの発生を十分に抑制することができる。ｎ型不純物濃度は、５×１０^１６〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度でとすると、結晶性の劣化を低く抑えつつ、導電性が十分に担保される。

ｐ型クラッド層１６は特に限定されないが、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｂｅ，Ｍｎ等のｐ型不純物をドープしたＡｌ含有率が０以上１未満のＡｌＧａＮとすることができる。その際、ｐ型クラッド層の第２障壁層との接触部のＡｌ含有率Ｘｐは、０≦Ｘｐ≦Ｘｍｉｎを満たすものとすることが好ましい。ＸｐをＸｍｉｎ以下とすることにより、価電子帯において正孔の遷移を阻害する障壁が低くなるからである。Ｘｍｉｎ−Ｘｐは０．０１以上０．３以下とすることがより好ましい。０．０１以上とすれば電子のオーバーフローを十分に抑制でき、０．３以下とすれば正孔のオーバーフローを十分に抑制できるからである。ｐ型クラッド層１６の厚さは、１０〜６００ｎｍ程度とすることができる。なお、他の実施形態の例として、図示しないｐ型クラッド層１６よりもＡｌ組成が高く、厚さが薄いｐ型ブロック層と呼ばれる層を、ｐ型クラッド層と活性層との間に追加することができる。

ｐ型コンタクト層１８は特に限定されないが、ｐ型不純物を高濃度にドープした、厚さ１０〜２００ｎｍ程度のＡｌ含有率が０以上１未満のＡｌＧａＮとすることができる。ｐ型不純物濃度は、５×１０^１８〜１×１０^２０／ｃｍ^３程度とすると、結晶性の劣化を低く抑えつつ、導電性が十分に担保される。ｐ型クラッド層１６やｐ型コンタクト層１８において傾斜組成や超格子構造を用いてもよい。

本実施形態では、バッファ層１２上にｎ型クラッド層１４を形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、ｐ型クラッド層をバッファ層上に形成してもよいことは自明である。

本発明における各層のエピタキシャル成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法など公知の手法を用いることができる。Ｉｎの原料ガスとしてＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、Ａｌの原料ガスとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａの原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎの原料ガスとしてアンモニアを挙げることができる。膜中のIII族元素の含有比率は、ＴＭＩｎ、ＴＭＡおよびＴＭＧの混合比を制御することにより、調整できる。また、エピタキシャル成長後のＡｌ含有率、Ｉｎ含有率や膜厚の評価は、ＴＥＭ−ＥＤＳなど公知の手法を用いることができる。

本明細書において、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＧａＮといったIII族窒化物半導体は、他のIII族元素を合計１％以下含んでもよい。また、これらの層は、例えばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量の不純物を含んでいてもよい。

このようにして得たIII族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型クラッド層１４と電気的に接続するｎ側電極、ｐ型クラッド層１６と電気的に接続するｐ側電極を形成することにより、通電可能な状態となる。例えばｐ型コンタクト層１８、ｐ型クラッド層１６、および活性層２０を、層内の一部分で除去してｎ型クラッド層１４を露出させ、この露出させたｎ型クラッド層１４上にｎ側電極を、ｐ型コンタクト層２８上にｐ側電極をそれぞれ配置して、横型構造の発光素子を形成することができる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
サファイア基板（厚さ：４３０μｍ）上に、炉内の温度を１０７０℃として、ＧａＮからなる低温成長バッファ層（厚さ：６０ｎｍ）をエピタキシャル成長させた。このバッファ層上に、ｎ型クラッド層として、ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮからなり、Ａｌ含有率Ｘが結晶成長方向に０から０．１２まで連続的に変化する組成傾斜層（厚さ：４μｍ、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：４×１０^１８／ｃｍ^３）をエピタキシャル成長させた。つまり、本実施例においてＸｎ＝０．１２である。

次に、ｎ型クラッド層上に、Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎからなる第１障壁層（厚さ：９ｎｍ）、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる井戸層（厚さ：２ｎｍ）、Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎからなる第１中間障壁層（厚さ：９ｎｍ）、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる井戸層（厚さ：２ｎｍ）、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎからなる第２中間障壁層（厚さ：９ｎｍ）、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる井戸層（厚さ：２ｎｍ）、Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなる第３中間障壁層（厚さ：９ｎｍ）、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる井戸層（厚さ：２ｎｍ）、Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなる第４中間障壁層（厚さ：９ｎｍ）、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる井戸層（厚さ：２ｎｍ）、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎからなる第５中間障壁層（厚さ：９ｎｍ）、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる井戸層（厚さ：２ｎｍ）、Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎからなる第２障壁層（厚さ：９ｎｍ）を、順次エピタキシャル成長させて、障壁層（計７層）と井戸層（計６層）とを交互に有する多重量子井戸構造の活性層を形成した。ただし、第１障壁層、第１〜第３中間障壁層の計４層には、Ｓｉをドープして、ｎ型とした（ドーパント濃度：３×１０^１８／ｃｍ^３）。

図２に、活性層の層構造と、活性層中のＩｎ含有率（％）およびＡｌ含有率（％）を示した。また、表１に７層の障壁層のＡｌ含有率（％）の分布をｎ型クラッド層側からｐ型クラッド層側の順に示した。このように、本実施例では、第３中間障壁層および第４中間障壁層が最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎ＝０．０３をとり、障壁層のＡｌ含有率は、これら第３および第４中間障壁層を基準として、第１障壁層および第２障壁層に向かって漸増している。また、第１障壁層のＡｌ含有率Ｘ１＝０．１２、第２障壁層のＡｌ含有率Ｘ２＝０．０９である。よって、Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１およびＸｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２の関係を満たしている。

この活性層上に、ｐ型ＧａＮからなるｐ型クラッド層（Ｘｐ＝０、厚さ：２００ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：１×１０^１８／ｃｍ^３）を、その上にさらにｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層（厚さ：２０ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：３×１０^１９／ｃｍ^３）を、エピタキシャル成長させた。このようにして、実施例１にかかるIII族窒化物半導体発光素子を作製した。

なお、各層の成長方法としてはＭＯＣＶＤ法を用いた。Ｉｎの原料ガスとしてＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、Ａｌの原料ガスとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａの原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｎの原料ガスとしてアンモニアを用いた。キャリアガスとしては、窒素および水素を用いた。ＴＭＡとＴＭＧとの供給比率を制御することで、各ＡｌＧａＮ層のＡｌ含有率を調整し、ＴＭＩｎとＴＭＧとの供給比率を制御することで、各ＩｎＧａＮ層のＩｎ含有率を調整した。ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層の成長条件は、いずれも圧力１０ｋＰａ、温度１１５０℃とした。ここに示した成長方法は、各実施例および各比較例においても同様である。なお、各層のＡｌ含有率やＩｎ含有率の値には、成長後の基板をへき開して露出した基板中央の断面をＴＥＭ−ＥＤＳ（オックスフォード社製Ｉｎｃａ ｖ．４．０７）を用いて測定した各層中央付近の各元素の定量分析値より算出した値を用いた。

（実施例２〜５、比較例１〜５）
７層の障壁層中のＡｌ含有率を図２および表１に示すものとした以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜５および比較例１〜５にかかるIII族窒化物半導体発光素子を作製した。

実施例２〜５は、第３中間障壁層または第４中間障壁層が最小のＡｌ含有率をとり、障壁層のＡｌ含有率は、これら第３または第４中間障壁層を基準として、第１障壁層および第２障壁層に向かって漸増している。また、第１障壁層のＡｌ含有率Ｘ１、第２障壁層のＡｌ含有率Ｘ２、およびＸｍｉｎが、Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１およびＸｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２の関係を満たしている。

一方、比較例１は、７層全ての障壁層のＡｌ含有率を０．１２とした例である。比較例２は、第３中間障壁層が最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎ＝０．０３をとり、障壁層のＡｌ含有率は、第３中間障壁層を基準として、第１障壁層および第２障壁層に向かって漸増している。しかし、Ｘ１＝Ｘ２＝０．１２であり、Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１の関係を満たさない。比較例３は、Ａｌ含有率の分布が実施例１と正反対の例である。つまり、第２中間障壁層および第３中間障壁層が最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎ＝０．０３をとり、障壁層のＡｌ含有率は、これら第２および第３中間障壁層を基準として、第１障壁層および第２障壁層に向かって０．０３ずつ漸増している。しかし、Ｘ１＝０．０９、Ｘ２＝０．１２であり、Ｘ２＞Ｘ１となっている。比較例４は、第１障壁層から第２障壁層まで順次Ａｌ含有率を減少させた例（Ｘ１＝０．１２→Ｘ２＝０．０３）である。比較例５は、第１障壁層から第２障壁層まで順次Ａｌ含有率を増加させた例（Ｘ１＝０．０３→Ｘ２＝０．１２）である。

（評価１：発光出力Ｐｏ）
各実施例、比較例の試料について、エピタキシャル成長面をダイヤペンで罫書き、ｎ型クラッド層を露出させた点と、該露出させた点から１．５ｍｍ離れたｐ型コンタクト層上の点とにドット状Ｉｎを物理的に押圧して成形した２点をｎ型およびｐ型電極とした。そして、それらにプローブを接触し、通電後の光出力をサファイア基板側から射出させ、光ファイバを通じて浜松ホトニクス社製マルチ・チャネル型分光器へ導光し、スペクトルのピーク強度をＷ（ワット）に換算して発光出力Ｐｏを求めた。結果を表１に示す。なお、いずれも実施例および比較例においても、井戸層にＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを用いていることから、活性層からの発光ピーク波長は３８５〜３９０ｎｍであった。

（評価２：クラックの有無）
以下の方法で、各実施例、比較例の試料について、活性層にクラックが発生しているか否かを調べた。各試料を、ｐ型コンタクト層側を上として光学顕微鏡を用いてモホロジを観察し、ウェハ中心部１ｍｍ^２角範囲内のクラックの有無を調べた。結果を表１に示す。

表１に示すとおり、比較例１，４，５では発光出力Ｐｏが非常に低く、比較例１では活性層へのクラックも発生した。比較例２のように、第３中間障壁層を最小のＡｌ含有率として、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層に向かって、障壁層のＡｌ含有率を漸増させることにより、多少の発光出力の向上が見られたが、不十分であった。一方、実施例１〜５のように、いずれかの中間障壁層を最小のＡｌ含有率として、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層に向かって、障壁層のＡｌ含有率を漸増させつつ、ｎ型クラッド層に接する障壁層よりもｐ型クラッド層に接する障壁層でＡｌ含有率を小さくしたところ、活性層にクラックが発生しないことはもとより、更なる発光出力の向上が得られた。なお、逆にｎ型クラッド層に接する障壁層よりもｐ型クラッド層に接する障壁層でＡｌ含有率を大きくした比較例３の場合には、比較的高い発光出力が得られたものの、活性層にクラックが発生し、発光素子として不適格であった。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子によれば、活性層へのクラックの発生を抑制し、かつ、発光出力を向上させることができる。

１００ III族窒化物半導体発光素子
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ ｎ型クラッド層
１６ ｐ型クラッド層
１８ ｐ型コンタクト層
２０ 活性層
２２ 障壁層
２２Ａ 第１障壁層
２２Ｂ 第２障壁層
２２Ｃ 中間障壁層
２４ 井戸層

この目的を達成することが可能な本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記活性層が、前記ｎ型クラッド層に接する第１障壁層、前記ｐ型クラッド層に接する第２障壁層、ならびに前記第１および第２障壁層の間に位置する１層以上の中間障壁層を含む、３層以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層と、該障壁層の間に挟まれたIII族窒化物半導体からなる２層以上の井戸層と、を含む多重量子井戸構造を有し、前記障壁層のＡｌ含有率Ｘが、前記中間障壁層のうち最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎをとる中間障壁層を基準として、前記第１障壁層および前記第２障壁層に向かって漸増し、前記第１障壁層のＡｌ含有率Ｘ１、前記第２障壁層のＡｌ含有率Ｘ２、および前記Ｘｍｉｎが下記（１）式および（２）式の関係を満たすことを特徴とする。
記
Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１ ・・・（１）
Ｘｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２ ・・・（２）

Claims (5)

1. ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、
   前記活性層が、前記ｎ型クラッド層側の第１障壁層、前記ｐ型クラッド層側の第２障壁層、ならびに前記第１および第２障壁層の間に位置する１層以上の中間障壁層を含む、３層以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）からなる障壁層と、該障壁層の間に挟まれたIII族窒化物半導体からなる２層以上の井戸層と、を含む多重量子井戸構造を有し、
   前記障壁層のＡｌ含有率Ｘが、前記中間障壁層のうち最小のＡｌ含有率Ｘｍｉｎをとる中間障壁層を基準として、前記第１障壁層および前記第２障壁層に向かって漸増し、
   前記第１障壁層のＡｌ含有率Ｘ１、前記第２障壁層のＡｌ含有率Ｘ２、および前記Ｘｍｉｎが下記（１）式および（２）式の関係を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
   記
   Ｘ２＋０．０１≦Ｘ１ ・・・（１）
   Ｘｍｉｎ＋０．０３≦Ｘ２ ・・・（２）
2. 前記ｎ型クラッド層は、Ａｌ含有率が０以上１未満のｎ型ＡｌＧａＮからなり、前記第１障壁層との接触部のＡｌ含有率Ｘｎが、Ｘ１≦Ｘｎ＜１を満たす請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 前記ｐ型クラッド層は、Ａｌ含有率が０以上１未満のｐ型ＡｌＧａＮからなる請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 前記井戸層がＡｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ＜１，０≦ｂ＜０．１，ａ＋ｂ＜１）からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
5. 前記Ｘｍｉｎをとる中間障壁層のバンドギャップは、前記井戸層のバンドギャップよりも０．２ｅＶ以上大きい請求項４に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
   

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