JP6387978B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

近年、窒化物半導体を用いて構成した発光素子（窒化物半導体発光素子）が広く用いられるようになってきている。この窒化物半導体発光素子は、例えば、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層及びｐ型窒化物半導体層がこの順で積層され、所定の波長の光を発光する。半導体発光素子は、一般に、発光層を量子井戸構造にすると発光効率を高くできることが期待され、窒化物半導体発光素子においても量子井戸構造の発光層を備えた構造がさらなる発光効率の向上を目的として種々検討されている。

例えば、特許文献１には、活性領域に、他の障壁層に比べて相対的に広いバンドギャップを有する中間障壁層を含む窒化物半導体発光素子が開示されており、これにより、発光効率が改善された発光ダイオードが提供できるとされている。

また、窒化物半導体は、ＧａＡｓ等の他の化合物半導体に比べると転位密度が高い。そして窒化物半導体発光素子は、転位密度を低減させることで高温時の出力低下の度合いを小さくすることができる傾向がある。
そこで、転位密度の低い窒化物半導体を形成する技術が開発されつつあり、一定の成果が得られている。

特開２００８−３１１６５８号公報

しかしながら、窒化物半導体発光素子は、転位密度の低い窒化物半導体が成長できるようになるにつれ、所定の電流を得るための順方向電圧が高くなるという課題があることを本発明者は見いだした。これは、ピエゾ電界の影響によるものと考えられる。すなわち、転位の数が減少するほどピエゾ電界の影響が強まり、発光層におけるキャリア分布の均一性が悪化し、これによって電子と正孔の再結合確率が低下するためであると考えられる。

そこで、本発明は、順方向電圧を低くでき、発光効率を向上させることのできる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係るある形態の窒化物半導体発光素子は、
ｎ側層とｐ側層の間に多重量子井戸構造の発光層を含む窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層は、前記ｎ側層側から順に、ｎ側第１障壁層と、前記ｎ側層からの距離が最も短い井戸層であるｎ側第１井戸層と、前記ｎ側第１障壁層よりバンドギャップの小さいｎ側第１中間障壁層と、前記ｎ側層からの距離が二番目に短い井戸層であるｎ側第２井戸層と、前記ｎ側第１中間障壁層よりバンドギャップの大きい中間障壁層と、井戸層とを含むことを特徴とする。

以上のように構成された窒化物半導体発光素子によれば、順方向電圧を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。

本発明に係る実施形態１の窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。 実施形態１に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態１に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態２に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態２に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態３に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態３に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態４に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態４に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態５に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態５に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態６に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態６に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態７に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態７に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 実施形態８に係る窒化物半導体発光素子の発光層の構成を示す断面図である。 実施形態８に係る窒化物半導体発光素子の発光層のバンド構造を模式的に示す図である。 本発明に係る実施例１及び２の窒化物半導体発光素子のスロープ効率（光出力（ａ．ｕ．）／電流（ｍＡ））の評価結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例１及び２の窒化物半導体発光素子の順方向電圧Ｖｆの評価結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子について説明する。

実施形態１．
実施形態１の窒化物半導体発光素子１０は、図１に示すように、基板１と、基板１上に設けられたｎ側層（ｎ側半導体層）２、発光層３及びｐ側層（ｐ側半導体層）４とを含む。なお、基板１は、例えば、ｎ側層２、発光層３及びｐ側層４を形成した後に除去してもよい。ｎ側層２は、ｎ型コンタクト層を含み、ｐ側層４はｐ型コンタクト層を含む。

また、窒化物半導体発光素子１０において、ｐ側層４の上面の略全面に形成された全面電極６（第１ｐ電極）が設けられ、全面電極６の一部にパッド電極７（第２ｐ電極）が設けられている。全面電極６は、ｐ側層４の一部であるｐ型コンタクト層と接している。また、ｐ側層４及び発光層３の一部ならびにｎ側層２の一部が除去されて、ｎ型コンタクト層が露出され、その露出させた面にｎ電極８が設けられている。ｎ側層２、発光層３及びｐ側層４は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体によって形成される。

（実施形態１の発光層）
窒化物半導体発光素子１０において、発光層３は、図２Ａに示すように、ｎ側層２側から順に、ｎ側第１障壁層３ｂｎと、ｎ側層２に最も近い井戸層であるｎ側第１井戸層３ｗｎと、ｎ側第１障壁層３ｂｎよりバンドギャップの小さいｎ側第１中間障壁層３ｍｎと、ｎ側層からの距離が二番目に短い井戸層である井戸層３ｗ２（ｎ側第２井戸層）と、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎよりバンドギャップの大きい中間障壁層３ｍ２と、井戸層３ｗ３と、ｐ側第１障壁層３ｂｐとを含む。
図２Ｂに、以上のように構成された発光層３に係るエネルギーバンド構造（以下、単にバンド構造という。）の一例を示す。なお、図２Ｂは、バンドギャップの大小関係を模式的に示す図である。これ以降のバンド構造を示す図についても同様である。
ここで、本実施形態において、ｎ側第１障壁層３ｂｎとｎ側第１中間障壁層３ｍｎの間に位置する井戸層を、ｎ側第１井戸層３ｗｎと称して他の井戸層と区別している。

以上のように構成された窒化物半導体発光素子１０では、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのバンドギャップを、ｎ側第１障壁層３ｂｎのバンドギャップより小さくしているので、井戸層３ｗ２及び井戸層３ｗ３への電子が注入量を増加させることができる。これにより、中間障壁層３ｍ２の両側の井戸層（井戸層３ｗ２及び井戸層３ｗ３）における電子と正孔の再結合を増加させることができる。したがって、順方向電圧を低下させることができ、発光効率を向上させることができる。

すなわち、多重量子井戸構造の発光層では、井戸層に注入される電子はｎ側の井戸層で多く中央部の井戸層で少なくなる傾向があり、一方、正孔はｎ側の井戸層で少なくなる傾向がある。そして、中央部の井戸層への電子の注入が少ないことで当該井戸層における正孔との再結合が減り順方向電圧が上昇する。このような傾向は転位密度が低下するほど顕著となる。
これに対して、本実施形態１では、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのバンドギャップを、ｎ側第１障壁層３ｂｎのバンドギャップより小さくして、ｎ側層２から中央部の井戸層に電子が流入しやすいようにしている。これにより、順方向電圧を低下させることができる。

また、窒化物半導体発光素子１０では、発光効率を向上させることができる。発光効率は、例えば、電流値に対する光出力により規定されるスロープ効率（光出力（ａ．ｕ．）／電流（ｍＡ））で示される。発光効率が向上する理由は、以下であると考えられる。まず、発光層における正孔はｎ側に向かうにつれて少なくなる傾向があるため、ｎ側層２に近い井戸層、例えばｎ側第１井戸層３ｗｎは、もともと発光効率を高くすることが難しい。そこで、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのバンドギャップを低くして、ｎ側第１井戸層３ｗｎの電子を減少させ、相対的に他の井戸層における電子を増加させている。これにより、相対的に他の井戸層における発光効率を向上させることができ、窒化物半導体発光素子１０の発光効率を向上させることができると考えられる。

さらに、窒化物半導体発光素子１０では、ｎ側第１障壁層３ｂｎのバンドギャップ及び中間障壁層３ｍ２のバンドギャップをｎ側第１中間障壁層３ｍｎのバンドギャップより大きくしている。これにより、発光層３に電子と正孔を閉じ込めることができ、電子と正孔を効率よく井戸層で再結合させることができる。
すなわち、ｎ側第１障壁層３ｂｎのバンドギャップ及び中間障壁層３ｍ２のバンドギャップをｎ側第１中間障壁層３ｍｎのように小さくすると、電子と正孔を発光層３に閉じ込めるための障壁が小さくなる。この場合、電子と正孔の発光層３内への閉じ込めが弱まり、発光層３における電子と正孔の再結合確率が低下する。このような構造では、例えば２０ｍＡ以下のような低電流域での発光効率を向上させることが難しい。

以上のように、窒化物半導体発光素子１０では、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのバンドギャップをｎ側第１障壁層３ｂｎ及び中間障壁層３ｍ２より小さくしている。これにより、順方向電圧を低くでき、かつ発光効率を高くできる窒化物半導体発光素子１０を実現することができる。

窒化物半導体発光素子１０において、例えば、ｎ側第１障壁層３ｂｎをＩｎ_ｂ１Ｇａ_１−ｂ１Ｎ（０≦ｂ１＜１）で表される窒化物半導体によって形成し、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎをＩｎ_ｍ１Ｇａ_１−ｍ１Ｎ（０＜ｍ１＜１）で表される窒化物半導体によって形成することができる。この場合、ｎ側第１障壁層３ｂｎのＩｎ組成ｂ１をｎ側第１中間障壁層３ｍｎのＩｎ組成ｍ１より小さくする。これにより、ｎ側第１障壁層３ｂｎのバンドギャップが、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのバンドギャップより大きくなる。ｎ側第１障壁層３ｂｎは例えばＧａＮからなり、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎは例えばＩｎＧａＮからなる。また、ｎ側第１井戸層３ｗｎと井戸層３ｗ２と井戸層３ｗ３は、Ｉｎ組成ｗがｎ側第１中間障壁層３ｍｎのＩｎ組成ｍ１より大きいＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜１）で表される窒化物半導体により形成する。ｎ側第１井戸層３ｗｎと井戸層３ｗ２と井戸層３ｗ３は、例えば同一のバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。尚、本明細書において、ＩｎとＧａとＮを含む３元の窒化物半導体について、単に、ＩｎＧａＮと表記することもある。

ｎ側第１障壁層３ｂｎをＩｎ_ｂ１Ｇａ_１−ｂ１Ｎとし、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎをＩｎ_ｍ１Ｇａ_１−ｍ１Ｎとする場合、ｎ側第１障壁層３ｂｎのＩｎ組成ｂ１は、０≦ｂ１＜０．１の範囲に設定し、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのＩｎ組成ｍ１は、０＜ｍ１＜０．２でかつｂ１＜ｍ１とすることが好ましい。Ｉｎ組成比が大きくなるほど結晶性が悪化する傾向があるため、それを考慮してこのような範囲内とすることが好ましい。このとき、ｎ側第１井戸層３ｗｎと井戸層３ｗ２と井戸層３ｗ３のＩｎ組成ｗは、例えば０．０５≦ｗ≦０．５とする。なお、井戸層のＩｎ組成ｗは、そのバンドギャップがいずれの障壁層よりも小さくなるように設定する。

また、窒化物半導体発光素子１０において、ｐ側第１障壁層３ｂｐは、例えば、ｎ側第１障壁層３ｂｎと同じバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。ｐ側第１障壁層３ｂｐを、例えば、Ｉｎ_ｂｆＧａ_１−ｂｆＮ（０≦ｂｆ＜１）で表される窒化物半導体によって形成する場合、Ｉｎ組成ｂｆをｎ側第１障壁層３ｂｎのＩｎ組成ｂ１と同一に設定する。ｐ側第１障壁層３ｂｐのＩｎ組成ｂｆは、ｎ側第１障壁層３ｂｎのＩｎ組成ｂ１と同様に、０≦ｂｆ＜０．１の範囲に設定することが好ましい。

また、窒化物半導体発光素子１０において、中間障壁層３ｍ２は、例えば、ｎ側第１障壁層３ｂｎ及びｐ側第１障壁層３ｂｐと同じバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。中間障壁層３ｍ２は、Ｉｎ_ｍ２Ｇａ_１−ｍ２Ｎ（０≦ｍ２＜１）で表される窒化物半導体によって形成することができる。このとき、中間障壁層３ｍ２のＩｎ組成ｍ２は、ｎ側第１障壁層３ｂｎのＩｎ組成ｂ１及びｐ側第１障壁層３ｂｐのＩｎ組成ｂｆと同様の範囲から選択することができ、例えば実質的に同じとする。

また、窒化物半導体発光素子１０において、ｎ側第１障壁層３ｂｎとｎ側第１中間障壁層３ｍｎはｎ型不純物を含んでいることが好ましい。これにより、ｎ側第１井戸層３ｗｎ及びそれよりｐ側層４よりに位置する井戸層に注入される電子を多くでき、順方向電圧を低くできる。この場合、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのｎ型不純物濃度をｎ側第１障壁層３ｂｎより低くすることが好ましい。これにより、ｎ型不純物を添加することによる正孔の減少を抑えることができるため、光出力の低下を抑えることができる。各層の具体的なｎ型不純物濃度としては、ｎ側第１障壁層３ｂｎとｎ側第１中間障壁層３ｍｎの大小関係を維持した上で、ｎ側第１障壁層３ｂｎは１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３未満が挙げられ、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎは１×１０^１７／ｃｍ^３より大きく１×１０^１９／ｃｍ^３未満が挙げられる。ｎ型不純物としては、例えばＳｉを用いる。

次に、実施形態２〜８の窒化物半導体発光素子について説明する。
実施形態２〜８の窒化物半導体発光素子は、実施形態１の窒化物半導体発光素子と比較して、発光層３の構成が異なる他は実施形態１の窒化物半導体発光素子と同様に構成される。また、特に言及しない限り、同じ名称の層には同様の構成を用いることができる。以下、実施形態２〜８の窒化物半導体発光素子における発光層の構成を説明する。

実施形態２．
実施形態２の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図３Ａに示すように、実施形態１の発光層３における井戸層３ｗ３とｐ側第１障壁層３ｂｐの間にさらに、ｎ側層２側からｐ側第１中間障壁層３ｍｐと、ｐ側第１井戸層３ｗｐとを追加した構造である。そして、ｐ側第１中間障壁層３ｍｐのバンドギャップをｐ側第１障壁層３ｂｐより小さくしている。
図３Ｂに、以上のように構成された実施形態２の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。
ここで、本実施形態２において、ｐ側第１障壁層３ｂｐとｐ側第１中間障壁層３ｍｐの間に位置する井戸層を、ｐ側第１井戸層３ｗｐと称して他の井戸層と区別している。

このように、ｐ側第１中間障壁層３ｍｐのバンドギャップをｐ側第１障壁層３ｂｐより小さくすることにより、ｐ側層から離れた位置にある井戸層３ｗ３及びよりｎ側層寄りの井戸層への正孔の流入量を多くすることができる。
これにより、ドループ現象を抑制することができ、例えば４０ｍＡ以上のような高電流域での発光効率の低下を抑制することができる。

実施形態２の発光層３では、例えば、ｐ側第１中間障壁層３ｍｐをＩｎ_ｍ３Ｇａ_１−ｍ３Ｎ（０≦ｍ３＜１）で表される窒化物半導体により形成し、ｐ側第１障壁層３ｂｐをＩｎ_ｂｆＧａ_１−ｂｆＮ（０≦ｂｆ＜１）で表される窒化物半導体により形成する。この場合、ｐ側第１中間障壁層３ｍｐのＩｎ組成ｍ３を、ｐ側第１障壁層３ｂｐのＩｎ組成ｂｆより大きく設定する。また、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎとｐ側第１中間障壁層３ｍｐは、ｎ側第１障壁層３ｂｎとｐ側第１障壁層３ｂｐよりバンドギャップが小さいことが好ましい。
ｐ側第１障壁層３ｂｐのＩｎ組成ｂｆは、０≦ｂｆ＜０．１の範囲に設定し、ｐ側第１中間障壁層３ｍｐのＩｎ組成ｍ３は、０＜ｍ３＜０．２でかつｂｆ＜ｍ３とすることが好ましい。これにより、電子の発光層３内への閉じ込めと正孔のｐ側第１井戸層３ｐ１への集中の緩和をより効率的に行うことができる。このとき、ｎ側第１井戸層３ｗｎと井戸層３ｗ２と井戸層３ｗ３のＩｎ組成ｗは、例えば０．０５≦ｗ≦０．５とする。なお、井戸層のＩｎ組成ｗは、そのバンドギャップがいずれの障壁層よりも小さくなるように設定する。

ｎ側第１障壁層３ｂｎとｐ側第１障壁層３ｂｐは、例えば、等しいバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。
例えば、ｎ側第１障壁層３ｂｎをＩｎ_ｂ１Ｇａ_１−ｂ１Ｎ（０≦ｂ１＜１）で表される窒化物半導体によって形成し、ｐ側第１障壁層３ｂｐをＩｎ_ｂｆＧａ_１−ｂｆＮ（０≦ｂｆ＜１）で表される窒化物半導体により形成する場合、ｎ側第１障壁層３ｂｎのＩｎ組成ｂ１と、ｐ側第１障壁層３ｂｐのＩｎ組成ｂｆを等しくする。この場合、Ｉｎ組成ｂ１とＩｎ組成ｂｆとをいずれも０として、ｎ側第１障壁層３ｂｎとｐ側第１障壁層３ｂｐとをそれぞれ、ＧａＮにより形成することができる。このようにｎ側第１障壁層３ｂｎとｐ側第１障壁層３ｂｐとをバンドギャップの大きな層とすることが、発光層３内へのキャリア閉じ込めに有利である。

ｎ側第１中間障壁層３ｍｎとｐ側第中間障壁層３ｍｐは、例えば、等しいバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。例えば、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎをＩｎ_ｍ１Ｇａ_１−ｍ１Ｎ（０＜ｍ１＜１）で表される窒化物半導体によって形成する場合、ｐ側第中間障壁層３ｍｐを、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎのＩｎ組成ｍ１と同一のＩｎ組成ｍ３のＩｎ_ｍ３Ｇａ_１−ｍ３Ｎ（０＜ｍ３＜１）によって表される窒化物半導体により形成する。

ｐ側第１障壁層３ｂｐ及びｐ側第１中間障壁層３ｍｐはそれぞれ、アンドープ層又はｎ型不純物濃度がｎ側第１中間障壁層３ｍｎより小さい層であることが好ましい。
これにより、ｐ側層４寄りの井戸層（ｐ側第１井戸層３ｗｐ）における正孔の減少を抑制でき、発光効率の高いｐ側層４寄り井戸層を効果的に発光させることができる。なお、アンドープ層とは、ｎ型不純物及びｐ型不純物を意図的にドープせずに形成した層を指す。また、アンドープ層は、不純物濃度が二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）等による分析の検出限界以下である層ということができる。発光層３に含まれる井戸層も、典型的にはすべてアンドープ層である。

実施形態３．
実施形態３の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図４Ａに示すように、実施形態１の発光層３における井戸層３ｗ３とｐ側第１障壁層３ｂｐの間にさらに、ｎ側層２側から中間障壁層３ｍ３と、井戸層３ｗ４と、中間障壁層３ｍ４と、井戸層３ｗ５と、ｐ側第１中間障壁層３ｍｐと、ｐ側第１井戸層３ｗｐとを追加した構造である。
言い換えると、実施形態３の窒化物半導体発光素子の発光層３は、実施形態２の発光層３における井戸層３ｗ３とｐ側第１中間障壁層３ｍｐの間にさらに、ｎ側層２側から、中間障壁層３ｍ３と、井戸層３ｗ４、中間障壁層３ｍ４と、井戸層３ｗ５と、を追加した構造である。
図４Ｂに、以上のように構成された実施形態３の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。

井戸層３ｗ３（中間井戸層）は、ｎ側層２からの距離が三番目に短い井戸層である。中間障壁層３ｍ３（第２中間障壁層）は、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎよりバンドギャップが大きい。これにより、中間障壁層３ｍ３のバンドギャップをｎ側第１中間障壁層３ｍｎのように低くする場合と比較して、電子と再結合することなくｎ側層２に流出する正孔の量を減少させることができる。したがって、２０ｍＡ以下のような低電流域での発光効率を向上させることができる。
ここで、中間障壁層３ｍ３と中間障壁層３ｍ４は、中間障壁層３ｍ２と同じバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。例えば、中間障壁層３ｍ３と中間障壁層３ｍ４は、Ｉｎ組成ｍ４とｍ５が中間障壁層３ｍ２のＩｎ組成ｍ２と同じに設定したＩｎ_ｍ４Ｇａ_１−ｍ４Ｎ（０≦ｍ４＜１）及びＩｎ_ｍ５Ｇａ_１−ｍ５Ｎ（０≦ｍ５＜１）で表される窒化物半導体によって形成することができる。また、中間障壁層３ｍ２、３ｍ３、３ｍ４は、ｎ側第１障壁層３ｂｎ及びｐ側第１障壁層３ｂｐと同じバンドギャップとしてもよい。例えば、中間障壁層３ｍ２、３ｍ３、３ｍ４はＧａＮからなる。

ここで、中間障壁層３ｍ２は、ｎ型不純物を含んでいてもよい。なお、中間障壁層３ｍ２にｎ型不純物をドープすると、その付近の井戸層における電子の濃度を増大させることができるが、一方で正孔の濃度が減少する。このため、中間障壁層３ｍ２のｎ型不純物濃度は、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎと同様に、ｎ側第１障壁層３ｂｎより低くすることが好ましい。ｎ型不純物濃度の具体的な値も、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎと同様の範囲を選択することができる。
さらには、電子の濃度が低くなりがちな箇所の中間障壁層にｎ型不純物をドープし、それ以外の中間障壁層はアンドープとすることが好ましい。これにより、光出力の低下を抑えながら順方向電圧を低下させることができる。具体的には、井戸層と井戸層で挟まれた中間障壁層（ｎ側第１中間障壁層３ｍｎとｐ側第１中間障壁層３ｍｐを含む）のうち、ｎ側層２に近い順に１以上の層をｎ型不純物を含有する層とし、少なくとも最もｐ側層４に近い１層をアンドープ層とすることが好ましい。具体的には、ｎ型不純物を含有する中間障壁層の数は、中間障壁層の総数の８０％未満であることが好ましい。このような範囲を満たす構成であれば、中間障壁層がすべてアンドープである場合と比較して、順方向電圧を低下させることができ、且つ、光出力を同等以上とすることができる。例えば、図４Ａに示すように５つの中間障壁層を有する場合は、ｎ型不純物をドープする範囲はｎ側第１中間障壁層３ｍｎから最大でも中間障壁層３ｍ３までとし、それよりもｐ側層４寄りの層はアンドープとすればよい。

また、井戸層３ｗ４と井戸層３ｗ５は、ｎ側第１井戸層３ｗｎ、井戸層３ｗ２、井戸層３ｗ３及びｐ側第１井戸層３ｗｐと、同一のバンドギャップを有する窒化物半導体により形成することができる。例えば、Ｉｎ組成ｗがｎ側第１中間障壁層３ｍｎのＩｎ組成ｍ１より大きいＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０≦ｗ＜１）で表される窒化物半導体により形成する。

実施形態４．
実施形態４の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図５Ａに示すように、実施形態１の発光層３におけるｎ側第１障壁層３ｂｎを組成傾斜層とした構造である。
具体的には、実施形態４のｎ側第１障壁層３ｂｎは、ｎ側層２からｎ側第１井戸層３ｗｎに向かってバンドギャップが小さくなるように構成している。例えば、ｎ側層２における第１障壁層３ｂｎが接する層が、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層であり、ｎ側第１井戸層３ｗｎがＩｎＧａＮである場合、ｎ型コンタクト層側から徐々にＩｎ組成を増加させて、ｎ側第１井戸層３ｗｎとの界面において、ｎ側第１井戸層３ｗｎのＩｎ組成と実質的に等しくなるようにする。
図５Ｂに、以上のように構成された実施形態４の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。
このように、窒化物半導体発光素子１０の発光層３において、ｎ側第１障壁層３ｂｎは組成傾斜層としてもよい。実施形態２又は実施形態３の窒化物半導体発光素子の発光層３においても、ｎ側第１障壁層３ｂｎを組成傾斜層とすることができる。尚、この場合、ｎ側第１中間障壁層３ｍｎとのバンドギャップの大小関係は、例えば組成傾斜層における最大のバンドギャップと比較する。組成傾斜層の平均のバンドギャップと比較してもよく、さらには組成傾斜層における最小のバンドギャップと比較してもよい。なお、後述する実施例１、２では、ｎ側第１障壁層３ｂｎを含む各層は組成傾斜層ではなく単一組成層とした。

実施形態５．
実施形態５の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図６Ａに示すように、実施形態１の発光層３における第１障壁層３ｂｎとｎ側第１井戸層３ｗｎの間に、組成傾斜層である挿入層３ｉ１を追加した構造である。
この挿入層３ｉ１は、第１障壁層３ｂｎ側からｎ側第１井戸層３ｗｎに向かってバンドギャップが小さくなるように構成している。例えば、第１障壁層３ｂｎと接する部分の組成を、第１障壁層３ｂｎと同一組成とし、第１障壁層３ｂｎから離れるにしたがって組成を徐々に変化させて、ｎ側第１井戸層３ｗｎに接する部分ではｎ側第１中間障壁層３ｍｎと実質的に同一組成になるようにしている。
図５Ｂに、以上のように構成された実施形態５の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。
このように、障壁層と井戸層は接していなくてもよく、挿入層３ｉ１を設けてもよい。

実施形態６．
実施形態６の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図７Ａに示すように、実施形態１の発光層３におけるｎ側第１障壁層３ｂｎとｎ側第１井戸層３ｗｎの間に、挿入層３ｉ１を含んでいる点では、実施形態５の発光層３と類似している。しかし、挿入層３ｉ１の組成が厚さ方向に変化することなく一定でかつ挿入層３ｉ１のバンドギャップがｎ側第１障壁層３ｂｎのバンドギャップとｎ側第１井戸層３ｗｎのバンドギャップの間の値に設定されている。
例えば、ｎ側第１障壁層３ｂｎをＧａＮにより構成し、ｎ側第１井戸層３ｗｎをＩｎＧａＮにより構成する場合、挿入層３ｉ１はｎ側第１井戸層３ｗｎのＩｎ組成より小さいＩｎＧａＮにより構成する。
図７Ｂに、以上のように構成された実施形態６の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。
このように、挿入層３ｉ１は組成傾斜層に限らず、ｎ側第１障壁層３ｂｎ等の障壁層の効果が得られる程度の組成及び膜厚で設けてよい。

実施形態７．
実施形態７の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図８Ａに示すように、ｎ側第１障壁層３ｂｎとｎ側第１井戸層３ｗｎの間に挿入層３ｉ１を含み、さらにｎ側第１井戸層３ｗｎとｎ側第１中間障壁層３ｍｎの間に挿入層３ｉ２を含んでいる点で実施形態１の発光層３とは異なっている。この挿入層３ｉ１のバンドギャップと挿入層３ｉ２のバンドギャップとは、ｎ側第１中間障壁層３ｍ１のバンドギャップより小さく、ｎ側第１井戸層３ｗｎのバンドギャップより大きくなるように設定される。また、この挿入層３ｉ１のバンドギャップと挿入層３ｉ２のバンドギャップは、好ましくは同一に設定されるが、異なっていても良い。
図８Ｂに、以上のように構成された実施形態７の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。
このように、複数の挿入層３ｉ１、３ｉ２を設けることもできる。

実施形態８．
実施形態８の窒化物半導体発光素子の発光層３は、図９Ａに示すように、第１障壁層３ｂｎとｎ側第１井戸層３ｗｎの間に挿入層３ｉ１を含み、さらにｎ側第１井戸層３ｗｎとｎ側第１中間障壁層３ｍｎの間に挿入層３ｉ２を含んでいる点で実施形態１の発光層３とは異なっている。この点では実施形態７の発光層３と類似しているが、挿入層３ｉ１及び挿入層３ｉ２が組成傾斜層となっている点で実施形態８の発光層３は実施形態７の発光層３とは異なっている。

具体的には、挿入層３ｉ１は、ｎ側第１障壁層３ｂｎからｎ側第１井戸層３ｗｎに向かってバンドギャップが小さくなるように構成している。また、挿入層３ｉ２は、ｎ側第１井戸層３ｗｎからｎ側第１中間障壁層３ｍｎに向かってバンドギャップが大きくなるように構成している。
図９Ｂに、以上のように構成された実施形態８の発光層３に係るバンド構造の一例を示す。

実施形態５〜８で説明した挿入層は、種々の目的を持って、実質的に井戸層と障壁層の機能を損なうことが無いように形成される層である。図面中では作図の都合上、井戸層や障壁層と同程度の厚さに描いているが、実際は、例えば、１ｎｍ程度、又はそれ未満の極めて薄い層である。
また、挿入層を形成する位置は、目的に応じて種々選択され、中間障壁層と井戸層の間、又はｐ側の障壁層と井戸層の間に形成してもよい。

以上、本発明に係る実施形態１〜８の窒化物半導体発光素子について説明したが、実施形態１〜８に係る窒化物半導体発光素子１０の転位密度は１×１０^８／ｃｍ^２未満であることが好ましい。さらには、転位密度は５×１０^７／ｃｍ^２以下であることが好ましい。これにより、各実施形態において説明した作用効果が顕著に得られる。通常、ｎ側層２からｐ側層４にかけて転位密度に大きな変化はないため、転位密度はいずれの位置で評価してもよい。高温時の出力低下の度合いを低減させるためには発光層３の転位密度が１×１０^８／ｃｍ^２未満であることが好ましいと考えられるため、発光層３またはその近傍で評価することが好ましい。なお、このような低転位密度の層は、例えば、サファイア基板の表面に多結晶でなく結晶性のＡｌＮバッファ層を形成し、その上に成長させることで得ることができる。
ここで、発光層３の転位密度は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や、結晶に電子線を照射することにより結晶中にキャリアを励起して再結合時に発生する発光を分光するカソードルミネッセンス（ＣＬ）法を用いて評価することができる。

以下、実施例について説明する。
実施例１として表１に示す窒化物半導体発光素子を作製し、実施例２として表２に示す窒化物半導体発光素子を作製し、それらの比較例１として、表３に示す窒化物半導体発光素子を作製した。いずれも、サファイア基板上にこれらの半導体層を成長させ、チップサイズは、６５０μｍ×６５０μｍとした。また、いずれも、個片化後にＣＬ法によって測定した転位密度は５×１０^７／ｃｍ^２程度であった。

（表１）

（表２）

（表３）

以上のように作製した実施例１、２の窒化物半導体発光素子及び比較例１の窒化物半導体発光素子について、電流値に対する光出力により規定されるスロープ効率（光出力（ａ．ｕ．）／電流（ｍＡ））と、順方向電圧Ｖｆを評価した。図１０及び図１１にそれぞれスロープ効率（光出力（ａ．ｕ．）／電流（ｍＡ））と順方向電圧Ｖｆの評価結果を示す。いずれも、横軸はＩｆ（順方向電流）である。
その結果、実施例１、２の窒化物半導体発光素子はいずれも比較例１の窒化物半導体発光素子より順方向電圧を低くできること、スロープ効率を高くできることが確認された。

１ 基板
２ ｎ側層（ｎ側半導体層）
３ 発光層
３ｂｎ ｎ側第１障壁層
３ｗｎ ｎ側第１井戸層
３ｍｎ ｎ側第１中間障壁層
３ｗ２、３ｗ３、３ｗ４、３ｗ５ 井戸層
３ｍ２、３ｍ３ 中間障壁層
３ｂｐ ｐ側第１障壁層
３ｗｐ ｐ側第１井戸層
３ｍｐ ｐ側第１中間障壁層
４ ｐ側層（ｐ側半導体層）
６ 全面電極
７ ｐ電極
１０ 窒化物半導体発光素子

Claims (14)

1. ｎ側層とｐ側層の間に多重量子井戸構造の発光層を含む窒化物半導体発光素子であって、
   前記発光層は、前記ｎ側層側から順に、ｎ側第１障壁層と、前記ｎ側層からの距離が最も短い井戸層であるｎ側第１井戸層と、前記ｎ側第１障壁層よりバンドギャップの小さいｎ側第１中間障壁層と、前記ｎ側層からの距離が二番目に短い井戸層であるｎ側第２井戸層と、前記ｎ側第１中間障壁層よりバンドギャップの大きい中間障壁層と、井戸層とを含み、
   前記ｎ側第１障壁層と前記ｎ側第１中間障壁層とはｎ型不純物を含み、前記ｎ側第１障壁層のｎ型不純物濃度は、前記ｎ側第１中間障壁層のｎ型不純物濃度より大きく、
   前記発光層またはその近傍の転位密度は１×１０^８／ｃｍ^２未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ側第１障壁層は、Ｉｎ_ｂ１Ｇａ_１−ｂ１Ｎ（ただし、０≦ｂ１＜０．１）からなり、前記ｎ側第１中間障壁層は、Ｉｎ_ｍ１Ｇａ_１−ｍ１Ｎ（ただし、０＜ｍ１＜０．２でかつｂ１＜ｍ１）からなる請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記発光層において、前記ｐ側層側から順に、ｐ側第１障壁層と、前記ｐ側層からの距離が最も短い井戸層であるｐ側第１井戸層と、前記ｐ側第１障壁層よりバンドギャップの小さいｐ側第１中間障壁層と、前記井戸層と、前記中間障壁層とを含む請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ｎ側第１中間障壁層と前記ｐ側第１中間障壁層は、前記ｎ側第１障壁層と前記ｐ側第１障壁層よりバンドギャップが小さい請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｐ側第１障壁層及び前記ｐ側第１中間障壁層は、アンドープ層又はｎ型不純物濃度が前記ｎ側第１中間障壁層より小さい層である請求項３又は４に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記ｐ側第１障壁層は、Ｉｎ_ｂｆＧａ_１−ｂｆＮ（ただし、０≦ｂｆ＜０．１）からなり、前記ｐ側第１中間障壁層は、Ｉｎ_ｍ３Ｇａ_１−ｍ３Ｎ（ただし、０＜ｍ３＜０．２でかつｂｆ＜ｍ３）からなる請求項３〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記ｎ側第１障壁層及び前記ｐ側第１障壁層はそれぞれＧａＮからなる請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記ｎ側第１中間障壁層のＩｎの組成比と前記ｐ側第１中間障壁層のＩｎの組成比は略等しい請求項６又は７に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記ｐ側第１中間障壁層よりバンドギャップの大きい前記中間障壁層を含む、請求項３〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記ｎ側第１中間障壁層と前記ｐ側第１中間障壁層は、略等しいバンドギャップを有する請求項３〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記中間障壁層と前記井戸層との間に、前記ｎ側層側から順に、前記ｎ側層からの距離が三番目に短い井戸層である中間井戸層と、前記ｎ側第１中間障壁層よりバンドギャップの大きい第２中間障壁層とを含む請求項１〜１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記中間障壁層がｎ型不純物を含む請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記発光層またはその近傍の転位密度は５×１０^７／ｃｍ^２以下である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
14. 前記発光層は結晶性のＡｌＮバッファ層を介して形成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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