JP2015188048A - 窒化物半導体積層体および半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の高い窒化物半導体積層体および半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体積層体は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられた活性層と、ｎ側電子バリア層と、を備えている。活性層は、複数の井戸層と、それぞれの井戸層を挟み井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい複数の障壁層と、を有する。ｎ側電子バリア層は、活性層のｎ型クラッド層側の端に近接する領域であって、活性層から電子拡散長範囲内の領域に設けられ、活性層へ所定エネルギー以下の電子注入を抑制する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体積層体および半導体発光素子に関する。

近年、窒化物半導体を用いた発光素子が広く普及し、また、発光効率を向上させるための研究および開発も引き続き進められている。

特開２０１３−１９７５１２号公報 特開２０１０−１３５４９０号公報 特公平０１−０４３４７２号公報

本発明の実施形態は、発光効率の高い窒化物半導体積層体および半導体発光素子を提供する。

実施形態によれば、窒化物半導体積層体は、窒化物半導体を含むｎ型クラッド層と、窒化物半導体を含むｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ窒化物半導体を含む活性層と、ｎ側電子バリア層と、を備えている。前記活性層は、複数の井戸層と、それぞれの前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい複数の障壁層と、を有する。前記ｎ側電子バリア層は、前記活性層の前記ｎ型クラッド層側の端に近接する領域であって、前記活性層から電子拡散長範囲内の領域に設けられ、前記活性層へ所定エネルギー以下の電子注入を抑制する。

第１実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図。 第１実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図。 第２実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図。 第２実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図。 第３実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図。 第３実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図。 第４実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図。 第４実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図。 第１実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図。 （ａ）は第１実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによる熱平衡状態でのキャリア分布図であり、（ｂ）は第１実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによる熱平衡状態での電界強度図。 第２実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図。 第４実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図。 参照例の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図。 ＡｌＧａＮ厚さと電子トンネル確率との関係を表すグラフ。 参照例の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図。 実施形態の半導体発光素子の模式断面図。 （ａ）は第５実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図であり、（ｂ）は第５実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１は、第１実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図である。図２（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図２（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図２（ｂ）には、電子密度のエネルギー分布ｎと、ホール密度のエネルギー分布ｐもあわせて示している。

図９（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図である。図９（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図９（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図９（ａ）にはフェルミレベル、図９（ｂ）には電子の擬フェルミレベルおよびホールの擬フェルミレベルを１点鎖線で示している。また、図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによる熱平衡状態でのキャリア分布、電界強度を表す。

なお、本明細書において、窒化物半導体は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される。なお、導電型を制御するために添加される不純物を含むものも窒化物半導体に含まれるものとする。

第１実施形態の窒化物半導体積層体（以下、単に積層体ともいう）は、ｎ型クラッド層２０と、ｐ型クラッド層４０と、ｎ型クラッド層２０とｐ型クラッド層４０との間に設けられた活性層３０と、を有する。

ｎ型クラッド層２０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層であり、所謂ｐｎ接合の順バイアス時に活性層３０に電子を供給する。また、ｐ型クラッド層４０は、例えば、ｐ型ＧａＮ層であり、所謂ｐｎ接合の順バイアス時に活性層３０にホールを供給する。

活性層３０は、複数の井戸層３１と複数の障壁層３２が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum well）構造を有する。なお、井戸層３１と障壁層３２の積層数は、任意である。

井戸層３１は、ｎ型クラッド層２０およびｐ側クラッド層４０よりもバンドギャップエネルギーが小さい。障壁層３２は、井戸層３１を積層方向に挟んでおり、井戸層３１よりもバンドギャップエネルギーが大きい。

井戸層３１は、例えば、アンドープのＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む。障壁層３２は、例えば、アンドープのＧａＮを含み、Ｉｎを実質的に含まない。また、障壁層３２がＩｎを含む場合、障壁層３２におけるＩｎ組成比は、井戸層３１におけるＩｎ組成比よりも低い。活性層３０から放出される光のピーク波長は、例えば４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。
ここで、アンドープとは、結晶成長の際に不純物を意図的に入れていないことを表す。逆に、ｎ型またはｐ型と記述している場合は意図的に導電型を制御する不純物をドープすることを指すものとする。

さらに、第１実施形態の積層体は、活性層３０から見てｎ型クラッド層２０側に位置するようにｎ側電子バリア層２１を有し、活性層３０のｎ型クラッド層２０側の端に近接する領域に電子バリア層を設けている。例えば、図１に示す例では、ｎ側電子バリア層２１は、活性層３０の最もｎ型クラッド層２０寄りの障壁層３２と、ｎ型クラッド層２０との間に設けられている。あるいは、ｎ側電子バリア層２１は、ｎ型クラッド層２０中における活性層３０側の領域に設けられていてもよい。

いずれにしても、ｎ側電子バリア層２１は、活性層３０からｎ型クラッド層２０側に向けて電子の拡散長範囲内の領域に設けられている。さらに、具体的には、ｎ側電子バリア層２１は、活性層３０の最もｎ型クラッド層２０寄りの井戸層３１または障壁層３２から、ｎ型クラッド層２０側に向けて電子拡散長範囲内の領域に設けられている。ｎ側電子バリア層２１は、ｎ型クラッド層２０から活性層３０に注入される電子のうち、ｎ側電子バリア層２１のエネルギー障壁高さ以下のエネルギーの電子の注入を抑制する。

ｎ側電子バリア層２１は、ｎ型クラッド層２０および障壁層３２よりもバンドギャップエネルギーが大きく、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ層である。

ここで、図１５（ａ）及び（ｂ）は、一般的に用いられている窒化物半導体積層体のエネルギーバンド図を参照例として示したものである。図１５（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）のエネルギーバンド図を表し、図１５（ｂ）は順バイアス時のエネルギーバンド図を表す。また、図１５（ｂ）には、電子密度のエネルギー分布ｎと、ホール密度のエネルギー分布ｐもあわせて示している。

図１３（ａ）及び（ｂ）は、参照例の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図である。図１３（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図１３（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図１３（ａ）にはフェルミレベル、図１３（ｂ）には電子の擬フェルミレベルおよびホールの擬フェルミレベルを１点鎖線で示している。

参照例の積層体においては、前述した第１実施形態の積層体のｎ側電子バリア層２１が設けられず、代わりに、ｐ型クラッド層４０と活性層３０との間に、ｐ側電子バリア層４１が設けられている。図１３の参照例の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図は、図９の層構成からｎ側電子バリア層２１を除き、ｐ側電子バリア層４１を設けたものに相当し、上記以外の構成のパラメータは全て図９のシミュレーションと同一である。

ｐ側電子バリア層４１は、ｐ型クラッド層４０および障壁層３２よりもバンドギャップエネルギーが大きく、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。ｐ側電子バリア層４１は、活性層３０からｐ型クラッド層４０側への電子のオーバーフローを抑制する。

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の多重量子井戸では、伝導帯のバリア高さ（ヘテロ界面のエネルギー不連続量）と価電子帯のバリア高さがほぼ同等にもかかわらず、電子の有効質量に比べてホールの有効質量が数倍大きいため（例えばＧａＮの場合、電子の有効質量０．２に対してホールの有効質量が１．７など）、ｐｎ接合の順バイアス時に、電子とホールで量子井戸の障壁層３２を乗り越えられる量に大幅な差が生じ、活性層３０（多重量子井戸）のｎ型クラッド層側の量子井戸までホールが注入され難いという問題がある。

すなわち、ｐ型クラッド層４０から注入されるホールが活性層３０のｐ型クラッド層４０側に偏在してしまい、活性層３０のｎ型クラッド層２０側でホールが不足し、活性層３０内のキャリア注入が不均一になって発光効率の低下をまねく。このことは、図１３（ｂ）の参照例のホール擬フェルミレベルが、ｎ型クラッド層２０側で低下する（ホールが減少してバンドギャップの中央寄りになる）ことからも確認できる。この場合、ｎ型クラッド層２０側に近い量子井戸では殆どホールが存在しないホール枯渇状態になっている。また、キャリア注入の不十分な量子井戸３１は、光利得（キャリア再結合による光放出）が低いため、他の量子井戸が発する光を吸収してキャリア（電子およびホール）生成する光吸収体として機能し、光吸収により生成したキャリアが一切の損失無く再結合しない限り、全体としてのキャリア損失（発光効率低下）を生じてしまう。参照例の窒化物半導体積層体では、ｐ型クラッド層４０側の量子井戸にホールが集中する結果、電荷中性則を保つため電子がｐ型クラッド層４０側に引き寄せられ、ｐ側電子バリア層４１でｐ型クラッド層４０への電子拡散を抑え込まれるため、活性層３０のｐ側電子バリア層４１に接する障壁層３２の部分に過剰に電子が集中し、障壁層３２でのAuger効果（非発光キャリア再結合）を促進させるキャリア損失が生じやすくなる。本来、Auger効果はキャリア密度の３乗に比例する効果のため、電子の集中部を作らないよう構成する必要がある。また、ｐ側電子バリア層４１に接する障壁層３２の部分に過剰に電子が集中する結果、ｐ側電子バリア層４１のバンド変形（価電子帯側への沈み込み）が起こってｐ側電子バリア層４１の電子バリア効果が薄れ、結果として電子のオーバーフローを生じやすくなる。

これらの問題を鑑み、第１実施形態によれば、活性層３０のｎ型クラッド層２０側の端に近接する領域にｎ側電子バリア層２１を設けている。ｎ側電子バリア層２１は、例えばＧａＮ層であるｎ型クラッド層２０よりもバンドギャップエネルギーが大きなＡｌＧａＮ層であり、ｎ型クラッド層２０に対して電子のヘテロ障壁を有している。即ち、ｎ側電子バリア層２１は、ｎ型クラッド層２０中の電子にとって障壁となり、ｎ型クラッド層２０の電子のうちＡｌＧａＮとＧａＮの伝導帯ヘテロ障壁よりエネルギーの低い電子の活性層３０への注入を抑制する。これはｎ型クラッド層２０とｐ型クラッド層４０の間にｐｎ接合の順バイアスが印加されて電流が流れている場合においても同様である。
この結果、ｐｎ接合に順バイアスが印加された場合に、活性層３０よりｎ型クラッド層２０側（ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２１の界面近傍）に電子蓄積され、その電子蓄積量に相当するホールが、電荷中性則を保つためにｐ型クラッド層４０から活性層３０に注入されてｎ型クラッド層２０側まで引き寄せられるようになる。このため、活性層３０（多重量子井戸）のｎ型クラッド層２０側の量子井戸にまでホールが供給されるようになり、活性層３０内の注入キャリア分布が均等化されることで発光効率の向上が可能になる。
また、ｎ側電子バリア層２１とｎ型クラッド層２０の電子親和力の差により、熱平衡状態において、ｎ側電子バリア層２１からｎ型クラッド層２０に電子が移動してｎ側電子バリア層２１が空乏化し、ｎ側電子バリア層２１とｎ型クラッド層２０の界面に電子の高濃度領域が形成される。ｎ側電子バリア層２１とｎ型クラッド層２０の電子障壁（伝導帯ヘテロ障壁）がある程度大きくなると、ｎ型クラッド層２０のｎ側電子バリア層２１界面付近のバンド変形部に量子準位が形成され、ｎ側電子バリア層２１およびｎ型クラッド層２０の電子を引き寄せて二次元電子ガスを形成するようになる。

このため、熱平衡状態において、ｎ側電子バリア層２１および活性層３０の残留電子が電子高濃度領域または二次元電子ガスに吸収されて空乏化（電子が枯渇化）し易くなる。この電子親和力の効果でＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）窒化物半導体のピエゾ効果が増大、即ち、ｎ側電子バリア層２１がほぼ真性領域まで空乏化することでｎ側電子バリア層２１のピエゾ効果が増大する（残留キャリアによる電界遮蔽効果が無くなる）ことにより、図９（ａ）に示すようにｎ側電子バリア層２１の両端に大きな電位差を生じ、これにより、活性層３０の電子を枯渇化（ｎ型クラッド層２０側に排出）させ、更に電子高濃度領域（または二次元電子ガス）の負電荷によりｐ型クラッド層４０からホールを引き寄せて、活性層３０およびｎ側電子バリア層２１にｐ型不純物（例えばＭｇ等）を一切、意図的にドープすることなく、即ち、アンドープの状態で活性層３０を疑似的にｐ領域化させることができる。実際の結晶成長層ではｐ型クラッド層４０などから熱拡散してくるＭｇが僅かに含まれる場合もあるが、上記の疑似ｐ領域化は、そのような意図しない不純物も一切含まずに実質的なｐ領域化が可能ということを指している。この結果、ｎ側電子バリア層２１を疑似的なｐｎ接合領域とし、ｐｎ接合の拡散電位をｎ側電子バリア層２１部分に集中させ、ｐｎ接合の拡散電位による最大電界領域を活性層３０の中央部よりｎ型クラッド層２０側に位置させることが可能になる。ここでｐｎ接合の拡散電位による最大電界領域とは、ヘテロ接合界面等でｐｎ接合が無くても生じる局所的な電界を除き、ｐｎ接合の拡散電位で生じる電界の最大領域（エネルギーバンドの傾斜が最大となる部分）を指すものとする。
このようにして構成した場合のバンド構造を図９（ａ）に示す。図９（ａ）は、図２（ａ）の模式的なバンド構造（簡単化のため窒化物半導体のピエゾ電界効果を省略）とは異なり、各窒化物半導体のピエゾ効果も取り入れてシミュレーションした結果である。図９（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、ｎ側電子バリア層２１の領域にｐｎ接合の拡散電位による非常に大きな電界が集中しており、活性層３０（量子井戸３１および障壁層３２の全て）が実質的なｐ領域になっていることが分る。勿論、上記のシミュレーションでは活性層３０に一切のｐ型不純物を含ませておらず、ｐ型クラッド層４０などのｐ型不純物が拡散して活性層３０に混入していない理想的な結晶成長層でのバンド構造をシミュレーションしている。また、シミュレーションでは実際の結晶成長層での残留キャリアを考慮し、１×１０^１６ｃｍ^−３の電子濃度を初期値として設定している。即ち、活性層３０を１×１０^１６ｃｍ^−３のｎ型層として初期設定しているにもかかわらず、構造的な効果でｐ領域化していることになる。このことは、図１０（ａ）に示すように、熱平衡状態でも活性層３０がホールで満たされていることからもわかる。この疑似ｐ領域化の効果により、図１３（ａ）に示す参照例に比べて、活性層３０におけるｐｎ接合の拡散電位による電界が大幅に緩和されていることも一目瞭然である。

このようにｐｎ接合による最大電界領域を活性層３０よりｎ型クラッド層２０側に位置させるための構成例としては、例えば、ｎ型クラッド層２０をＧａＮ（例えばキャリア濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３）、ｎ側電子バリア層２１をＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ（例えばアンドープ）で厚さ１５ｎｍとし、活性層３０（障壁層ＧａＮ、井戸層ＩｎＧａＮ）は全てアンドープとする。図９（ａ）はこの条件でのシミュレーション結果であり、活性層３０を疑似的にｐ領域化するための条件として、ｎ型クラッド層２０がＧａＮ（例えばキャリア濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３）、活性層３０（障壁層ＧａＮ、井戸層ＩｎＧａＮ）が全てアンドープの場合、ｎ側電子バリア層２１のＡｌ組成が０．０５以上、厚さが２ｎｍ以上が望ましい。

図１７（ａ）は第５実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図であり、図１７（ｂ）は第５実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図である。

ｎ側電子バリア層は、ＡｌＧａＮ層の単層に限らない。図１７（ａ）及び（ｂ）に示す実施形態によれば、結晶成長層の応力制御のために、ｎ側電子バリア層は、複数のアンドープＡｌＧａＮ層２１と、複数のアンドープＧａＮ層２５を含んでいる。

ｎ側電子バリア層は、例えば、３層のＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層２１を含んでいる。それぞれのＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層２１の厚さは、例えば５ｎｍである。ＡｌＧａＮ層２１の間にＧａＮ層２５が設けられている。それぞれのＧａＮ層２５の厚さは、例えば５ｎｍである。

上記したバンド構造とするためには、活性層３０、ｎ側電子バリア層２１のアンドープ時の残留キャリア密度（電子密度）は、例えば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下が望ましい。

ｎ側電子バリア層２１を設けることにより、熱平衡状態で、ｐｎ接合の空乏層は、ｎ側電子バリア層２１により電子が蓄積して高キャリア密度化しているｎ側よりもｐ側に伸び易くなる。そして、図９（ｂ）に示すように、順バイアス時には、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２１との界面の蓄積電子電荷（ｎ^＋＋）を電荷中性化するためにホールが引き寄せられ、活性層３０のｎ型クラッド層２０側の領域（量子井戸）までホールが注入されやすくなる。熱平衡時にｐ側に非対称的に伸びていた空乏層は、順バイアス時、ｐ側から縮小し、活性層３０へのホール注入が促進されることになる。

この結果、活性層３０に対する電子とホールの注入が均一化されて発光効率が高まり、また、活性層内で電子が局所的に集中する部分が無くなってAuger効果が激減し、高注入時のドループ現象を緩和することができる。

図１４は、ＧａＮ層とＧａＮ層との間に挟まれたＡｌＧａＮ層の厚さ（ｎｍ）と、電子トンネル確率（％）との関係を表すグラフである。伝導帯の底からのＡｌＧａＮ層の障壁エネルギーΔＥｃは３５０ｍｅＶ、ＧａＮ領域の電子の有効質量ｍ_ｅは０．２２としている。

また、グラフ中、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉは、それぞれ、ΔＥｃ比での電子エネルギー０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９を表す。

ｎ側電子バリア層２１として機能するＡｌＧａＮ層があまりに薄いとトンネル効果により電子に対して障壁にならない。そこで、図１４の結果によれば、ｎ側電子バリア層２１としてのＡｌＧａＮ層の厚さは２ｎｍ以上が望ましいことが分る。

また、ｎ側電子バリア層２１が厚すぎると、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２１との界面の蓄積電子が活性層３０から遠くなり、蓄積電子電荷によるホールの引き込み効果が不十分になる。

したがって、ｎ側電子バリア層２１の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下が望ましく、理想的には２ｎｍ以上５ｎｍ以下が望ましい。
また、ｎ側電子バリア層２１の位置は、活性層３０へ電子注入を行うため、活性層３０から電子拡散長以下の範囲とすることが望ましい。

また、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２１との間の障壁を急峻にするために、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２１との間の遷移層の厚さは２ｎｍ以下が望ましい。

また、ＡｌＧａＮ層中の酸素は自由電子を供給するドナーとして機能する。したがって、ｎ側電子バリア層２１としてＡｌＧａＮ層を使い、ｎ側電子バリア層２１において局所的に酸素濃度を高くすることで、ｎ型クラッド層（ＧａＮ層）２０との界面の蓄積電子を増大させ、且つｎ側電子バリア層２１のキャリア枯渇化を効果的に行わせ、前述したホール引き込み効果を高めることができる。

次に、図３は、第２実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図である。

図４（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図である。図４（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図４（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図４（ｂ）には、電子密度のエネルギー分布ｎと、ホール密度のエネルギー分布ｐもあわせて示している。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図である。図１１（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図１１（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図１１（ａ）にはフェルミレベル、図１１（ｂ）には電子の擬フェルミレベルおよびホールの擬フェルミレベルを１点鎖線で示している。

第２実施形態においては、ｎ側電子バリア層２２として、ｎ型クラッド層２０および障壁層３２よりもバンドギャップエネルギーが大きいｎ型ＡｌＧａＮ層が設けられている。その他構成および効果は、第１実施形態と同じである。

ｎ側電子バリア層２２には、成膜時にｎ型不純物として例えばＳｉがドープされる。しかしながら、ｎ側電子バリア層２２中のキャリア（電子）は、ｎ側電子バリア層２２よりもエネルギーの低いｎ型クラッド層２０および活性層３０に拡散し、熱平衡状態において、ｎ側電子バリア層２２は空乏化（キャリアが枯渇化）し、二次元電子ガスを含む高濃度電子蓄積の効果およびピエゾ効果により、図１１（ａ）のシミュレーション結果に示されるように、ｎ側電子バリア層２２の領域に非常に大きな電界が生じる。また、図１３（ａ）に示す参照例に比べて、活性層３０の電界は緩和される。

上記したバンド構造とするためには、活性層３０、空乏化（キャリアが枯渇化）したｎ側電子バリア層２２のアンドープ時の残留キャリア密度（電子密度）は、例えば、１×１０^１６ｃｍ^−３以下が望ましい。

そして、第２実施形態においても、順バイアス時には、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２２との界面の蓄積電子電荷（ｎ^＋＋）に対する電荷中性則でホールが引き寄せられ、活性層３０のｎ型クラッド層２０側の領域までホールが注入されやすくなる。この結果、活性層３０に対する電子とホールの注入が均一化されて発光効率が高まり、また、活性層内で電子が局所的に集中する部分が無くなってAuger効果が激減し、高注入時のドループ現象を緩和できる。

また、第１実施形態と同様、ｎ側電子バリア層２２の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下が望ましく、理想的には２ｎｍ以上５ｎｍ以下が望ましい。また、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２２との間の遷移層の厚さは２ｎｍ以下が望ましい。

また、第２実施形態においても、ｎ側電子バリア層２１としてＡｌＧａＮ層を使い、ｎ側電子バリア層２１において局所的に酸素濃度を高くすることで、ｎ型クラッド層（ＧａＮ層）２０との界面の蓄積電子を増大させ、且つｎ側電子バリア層２１のキャリア枯渇化を効果的に行わせ、前述したホール引き込み効果を高めることができる。

次に、図５は、第３実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図である。

図６（ａ）及び（ｂ）は、第３実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図である。図６（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図６（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図６（ｂ）には、電子密度のエネルギー分布ｎと、ホール密度のエネルギー分布ｐもあわせて示している。

第３実施形態においては、ｎ側電子バリア層２３として、ｎ型クラッド層２０および障壁層３２よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ型ＡｌＧａＮ層をｎ型クラッド層２０の内側に設けている。

ｎ側電子バリア層２３には、成膜時にｐ型不純物として例えばＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃがドープされる。

そして、第３実施形態においては、ｎ側電子バリア層２３（ｐ型）がｎ型クラッド層２０に挟まれて価電子帯レベルが揃えられるようにバンド構成されるため、順バイアス時にｎ型クラッド層２０よりｎ側電子バリア層２３が伝導帯側に突き出した形で低エネルギー電子のバリアとなり、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２３との界面に電子を蓄積することができる。この界面の蓄積電子電荷（ｎ^＋＋）に対する電荷中性則でホールが引き寄せられ、活性層３０のｎ型クラッド層２０側の領域までホールが注入されやすくなる。この結果、活性層３０に対する電子とホールの注入が均一化されて発光効率が高まり、また、活性層内で電子が局所的に集中する部分が無くなってAuger効果が激減し、高注入時のドループ現象を緩和できる。

また、第１実施形態と同様、ｎ側電子バリア層２３の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下が望ましく、理想的には２ｎｍ以上５ｎｍ以下が望ましい。また、ｎ型クラッド層２０とｎ側電子バリア層２３との間の遷移層の厚さは２ｎｍ以下が望ましい。

また、ＡｌＧａＮをｐ型にする不純物としてＭｇをドープした場合、ＭｇはＨと結びつきやすい。したがって、いずれもｐ型不純物（Ｍｇ）を含まないｎ型クラッド層（ＧａＮ）２０および活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）３０よりも、ｐ型ＡｌＧａＮ層であるｎ側電子バリア層２３において局所的に水素濃度が高くなっている。これは、ｎ側電子バリア層２３の欠陥の低減に寄与する。
尚、ｎ側電子バリア層２３は、第一の実施形態、第二の実施形態と同様にｎ型クラッド層２０を挟まずに活性層３０に接する構成とすることでも構わない。この場合、ｎ側電子バリア層２３（ｐドープ）により活性層３０が持上げられて疑似ｐ領域化しやすくなるという効果がある。

次に、図７は、第４実施形態の窒化物半導体積層体の模式断面図である。

図８（ａ）及び（ｂ）は、第４実施形態の窒化物半導体積層体の模式的なエネルギーバンド図である。図８（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図８（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図８（ｂ）には、電子密度のエネルギー分布ｎと、ホール密度のエネルギー分布ｐもあわせて示している。

図１２（ａ）及び（ｂ）は、第４実施形態の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図である。図１２（ａ）は熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）を、図１２（ｂ）は順バイアス状態を表す。また、図１２（ａ）にはフェルミレベル、図１２（ｂ）には電子の擬フェルミレベルおよびホールの擬フェルミレベルを１点鎖線で示している。

第４実施形態においては、第１実施形態の構成に加えて、ｐ側電子バリア層４１をさらに備えている。

ｐ側電子バリア層４１は、活性層３０のｐ型クラッド層４０側の端に近接する領域に設けられている。例えば、図７に示す例では、ｐ側電子バリア層４１は、活性層３０の最もｐ型クラッド層４０寄りの障壁層３２と、ｐ型クラッド層４０との間に設けられている。

ｐ側電子バリア層４１は、ｐ型クラッド層４０および障壁層３２よりもバンドギャップエネルギーが大きく、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。

ｐ側電子バリア層４１は、第１実施形態において僅かながらも活性層３０からｐ型クラッド層４０側へ漏れていく電子のオーバーフローを抑制する。このことは、図１２（ｂ）の電子の擬フェルミレベルが、ｐ側電子バリア層４１より先で低下する（電子が減少して中央寄りになる）ことからも確認できる。

第４実施形態によれば、ｎ型クラッド層２０側およびｐ側クラッド層４０の両方に電子バリア層を設けることで、活性層３０での電子とホールの発光再結合効率をより高めることができる。

なお、第２実施形態および第３実施形態の構成においても、ｐ型クラッド層４０側にｐ側電子バリア層４１をさらに設けてもよい。

図１６は、実施形態の半導体発光素子の模式断面図である。図１６には、半導体発光素子の一例として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を示す。

実施形態の半導体発光素子は、窒化物半導体層１０を有する。窒化物半導体層１０は、前述したいずれかの実施形態の窒化物半導体積層体を含む。

窒化物半導体層１０は、基板１上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）法によって形成される。あるいは、分子線エピタキシー（）ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法によって窒化物半導体層１０を基板１上に形成してもよい。

基板１は、例えば、シリコン基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを用いることができる。

また、窒化物半導体層１０は、前述した層（ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｎ側電子バリア層、ｐ側電子バリア層）以外に、基板１と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和するバッファ層、電極とのコンタクト層などを含むことができる。また、ｎ型クラッド層と基板１との間に、ＳＬＳ（strained layer super lattice）バッファ層を形成して格子欠陥の低減化を図ることでもよい。

窒化物半導体層１０は、基板１の反対側に、ｐ型層の面１０ｐと、ｎ型層の面１０ｎとを有する。ｎ型層の面１０ｎ上にはｎ側電極パッド２が設けられている。ｐ型層の面１０ｐ上にはｐ側電極３（例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極やＡｇ電極）が設けられ、そのｐ側電極３上にはｐ側電極パッド４が設けられている。基板１はそのまま残すことでも、除去することでも構わない。前者の場合には、ｐ側電極３を透明電極とすることが望ましく、後者の場合には、ｐ側電極３をＡｇとして基板を除去した面から光を取り出すことでも構わない。また、後者の場合、ｎ側電極を基板を除去した面に設けることでも構わなく、ｎ側電極として透明電極を形成してｎ電極パッド２を部分的に設ける構成としてもよい。

前述した実施形態の窒化物半導体積層体を含む発光素子（ＬＥＤ）は、高い発光効率を有する。

なお、実施形態の窒化物半導体積層体は、ＬＥＤに限らず、ＬＤ（Laser Diode）にも適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、前述したｎ側電子バリア層２１〜２３およびはｐ側電子バリア層４１は複数層設けられても構わず、また、その複数の電子バリア層の組成が異なっていても構わない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…基板、２…ｎ側電極パッド、３…透明電極、４…ｐ側電極パッド、１０…窒化物半導体積層体、２０…ｎ型クラッド層、２１，２２，２３…ｎ側電子バリア層、３０…活性層、３１…井戸層、３２…障壁層、４０…ｐ型クラッド層、４１…ｐ側電子バリア層

Claims (14)

1. 窒化物半導体を含むｎ型クラッド層と、
   窒化物半導体を含むｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ窒化物半導体を含む活性層であって、複数の井戸層と、それぞれの前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい複数の障壁層と、を有する活性層と、
   前記活性層の前記ｎ型クラッド層側の端に近接する領域であって、前記活性層から電子拡散長範囲内の領域に設けられ、前記活性層へ所定エネルギー以下の電子注入を抑制するｎ側電子バリア層と、
   を備えた窒化物半導体積層体。
2. 前記活性層の中央より前記ｎ型クラッド層側にｐｎ接合の拡散電位による最大電界領域を有する請求項１記載の窒化物半導体積層体。
3. 窒化物半導体を含むｎ型クラッド層と、
   窒化物半導体を含むｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ窒化物半導体を含む活性層であって、複数の井戸層と、それぞれの前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい複数の障壁層と、を有する活性層と、
   前記活性層の前記ｎ型クラッド層側の端に近接する領域であって、前記活性層から電子拡散長範囲内の領域に設けられ、前記ｎ型クラッド層および前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体を含むｎ側電子バリア層と、
   を備えた窒化物半導体積層体。
4. 窒化物半導体を含むｎ型クラッド層と、
   窒化物半導体を含むｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ窒化物半導体を含む活性層であって、複数の井戸層と、それぞれの前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい複数の障壁層と、を有する活性層と、
   前記活性層の前記ｎ型クラッド層側の端に近接する領域に設けられ、前記ｎ型クラッド層および前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体を含み、熱平衡状態で空乏化しているｎ側電子バリア層と、
   を備えた窒化物半導体積層体。
5. 空乏化した前記ｎ側電子バリア層のキャリア密度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下である請求項４記載の窒化物半導体積層体。
6. 窒化物半導体を含むｎ型クラッド層と、
   窒化物半導体を含むｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ窒化物半導体を含む活性層であって、複数の井戸層と、それぞれの前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい複数の障壁層と、を有する活性層と、
   前記活性層の前記ｎ型クラッド層側の端に近接する領域に設けられ、前記ｎ型クラッド層および前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＮを含み、前記ｎ型クラッド層および前記活性層よりも酸素濃度が高いｎ側電子バリア層と、
   を備えた窒化物半導体積層体。
7. ｎ型ＧａＮを含むｎ型クラッド層と、
   ｐ型ＧａＮを含むｐ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた活性層であって、アンドープＩｎＧａＮを含む複数の井戸層と、それぞれの前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくアンドープＧａＮを含む複数の障壁層と、を有する活性層と、
   前記活性層の前記ｎ型クラッド層側の端に近接する領域に設けられ、前記ｎ型クラッド層および前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくＡｌＧａＮを含むｎ側電子バリア層と、
   を備え、
   前記ｎ型クラッド層における前記ｎ側電子バリア層との界面付近に高濃度電子領域を有している窒化物半導体積層体。
8. 前記ｎ側電子バリア層が複数層で構成される請求項１〜７のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体。
9. 前記ｎ側電子バリア層はアンドープ層である請求項１〜８のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体。
10. 前記ｎ側電子バリア層はｎ型層である請求項１〜８のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体。
11. 前記ｎ側電子バリア層はｐ型層である請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体。
12. 前記ｎ側電子バリア層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体。
13. 前記活性層の前記ｐ型クラッド層側の端に近接する領域に設けられ、前記ｐ型クラッド層および前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ側電子バリア層をさらに備えた請求項１〜１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層体と、
    前記ｎ型クラッド層に接続されたｎ側電極と、
    前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
    を備えた半導体発光素子。

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