JP5545272B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を含む発光層を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関し、特に、インジウム組成の相違に対応して異なるピーク波長を有する複数の光を発せられる発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）等のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
従来から、窒化ガリウム・インジウム（組成式ＧａＸＩｎ１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）は、深緑色や青色等の可視光を発する発光素子用途の発光層として利用されている（特許文献１参照）。また、例えば、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）を添加（ドーピング）したインジウム組成の大きなＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｎ層は赤色発光用の材料として有用であることが示されている（特許文献１参照）。
発光層は、数的に単一な窒化ガリウム・インジウム層のみならず、インジウム組成が相違する数的に複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いた超格子（ｓｕｐｅｒ ｌａｔｔｉｃｅ）構造から構成される場合もある（非特許文献１参照）。また例えば、インジウム組成が一定な複数の窒化ガリウム・インジウム層を井戸（ｗｅｌｌ）層とし、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とする重層単位を複数、積層させた多重量子井戸（英略称：ＭＱＷ）構造から構成する技術例がある（特許文献２乃至４、非特許文献２参照）。
ＭＱＷ構造の如く、複数の井戸層と複数の障壁層を利用して発光層を形成する場合、電気導電性に優れる発光層となすために、不純物を故意に添加（ドーピング（ｄｏｐｉｎｇ））した窒化ガリウム・インジウム層や窒化ガリウム層を用いる場合がある（非特許文献３参照）。窒化ガリウム等のＩＩＩ族窒化物半導体についてのｎ型不純物としては、シリコン（元素記号：Ｓｉ）（特許文献５参照）、ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）、テルル（元素記号：Ｔｅ）、セレン（元素記号：Ｓｅ）が例示されている（特許文献６参照）。
Ｓｈｕｊｉ ＮＡＫＡＭＵＲＡ他、「ＩｎＸＧａ（１−Ｘ）Ｎ／ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ＧａＮ ｆｉｌｍｓ"」、ジャーナル オブ アプライド フィジクス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、アメリカ合衆国、１９９３年９月、第７４巻、第６号、ｐ．３９１１−３９１５頁
Ｓｈｕｊｉ ＮＡＫＡＭＵＲＡ他、「ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ"」、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、１９９６年１月、第３５巻、Ｐａｒｔ ２、Ｎｏ．１Ｂ、ｐ．ｐ．Ｌ７４−Ｌ７６
Ｓｈｕｊｉ ＮＡＫＡＭＵＲＡ他、「Ｈｉｇｈ−Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ＩｎＧａＮ Ｂｌｕｅ， Ｇｒｅｅｎ ａｎｄ Ｙｅｌｌｏｗ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、１９９５年７月、第３４巻、Ｐａｒｔ ２，Ｎｏ．７Ａ，ｐ．ｐ．Ｌ７９７−Ｌ７９９
インジウム組成が同一な複数の窒化ガリウム・インジウム層を重層させる場合ならまだしも、インジウム組成が相違する窒化ガリウム・インジウム層を重層させて発光層を構成しても、インジウム組成の濃度差に起因してインジウムの拡散が生ずる。
また、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いてＭＱＷ構造の様な超格子構造の発光層を構成する場合も、窒化ガリウム・インジウム層の中間に単純に設けられた障壁（バリア）層では、インジウムの拡散を充分に抑制できない。このため、インジウム組成の大小に対応したピーク（ｐｅａｋ）波長が異なる複数の光を得ようとしても、異なるピーク波長を有する光が予め企図した様には得られない問題がある。
また、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いてＭＱＷ構造の様な超格子構造の発光層を構成する場合も、窒化ガリウム・インジウム層の中間に単純に設けられた障壁（バリア）層では、インジウムの拡散を充分に抑制できない。このため、インジウム組成の大小に対応したピーク（ｐｅａｋ）波長が異なる複数の光を得ようとしても、異なるピーク波長を有する光が予め企図した様には得られない問題がある。
本発明の目的は、インジウム組成の大小に対応したピーク波長が異なる複数の光を得ようとしても、異なるピーク波長を有する発光が企図した様には得られないという問題を解決することにある。
本発明は、上記の従来技術に伴う問題を解決するためになされたものである。本発明者は、量子井戸（英略称：ＱＷ）構造をなす従来の障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層は、電子或いは正孔の輸送に対する障壁層であるため、インジウム原子の拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を十分に安定して抑止する拡散バリア層とは成り得ていないことに着目し、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を用いて発光層を形成するに際し、インジウム組成の濃度差に起因するインジウム原子の拡散を抑制するのに適する発光層の積層構成を提示する。
かくして、下記［１］〜［８］に係る発明が提供される。
［１］請求項１に係る発明は、ｐｎ接合型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、第１の導電型を有する第１の半導体層、発光層及び当該第１の導電型とは逆の導電性を示す第２の導電型を有する第２の半導体層が積層された積層半導体層と、前記第１の半導体層と接続する第１の電極と、前記第２の半導体層の表面に設けた第２の電極と、を備え、前記積層半導体層の前記発光層は、第１のインジウム組成を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第１の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光層からの発光の取り出し方向側に配置され、前記第１のインジウム組成より小さい組成の第２のインジウム組成を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第１の窒化ガリウム・インジウム層と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第１の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第２の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有し、前記中間層の厚さｔは、前記第１のインジウム組成（Ｘ １ ）と前記第２のインジウム組成（Ｘ ２ ）との差分をΔＩｎ（＝Ｘ １ −Ｘ ２ ）とした場合に、９００×ΔＩｎ≦ｔ（ｎｍ）≦１１００×ΔＩｎの範囲であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［２］請求項２に係る発明は、前記発光層は、前記構造単位を複数有し、複数の当該構造単位のうち、当該発光層における複数の前記第１のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層を含む構造単位が、当該発光層からの前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［３］請求項３に係る発明は、前記発光層は、前記構造単位を複数有し、複数の当該構造単位のうち、当該発光層における複数の前記第２のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第２の窒化ガリウム・インジウム層を含む構造単位が、当該発光層からの前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［４］請求項４に係る発明は、前記第１のインジウム組成と前記第２のインジウム組成との差分ΔＩｎは、０．０５未満であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［５］請求項５に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［６］請求項６に係る発明は、前記ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［７］請求項７に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族元素又はＶ族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［８］請求項８に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、前記ドナー不純物としてシリコンを含み、前記中間層におけるシリコンの濃度Ｎ Ｓｉ は、０．８×１０ ２０ ×ΔＩｎ≦Ｎ Ｓｉ ≦１．２×１０ ２０ ×ΔＩｎの範囲であることを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［１］請求項１に係る発明は、ｐｎ接合型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、第１の導電型を有する第１の半導体層、発光層及び当該第１の導電型とは逆の導電性を示す第２の導電型を有する第２の半導体層が積層された積層半導体層と、前記第１の半導体層と接続する第１の電極と、前記第２の半導体層の表面に設けた第２の電極と、を備え、前記積層半導体層の前記発光層は、第１のインジウム組成を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第１の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光層からの発光の取り出し方向側に配置され、前記第１のインジウム組成より小さい組成の第２のインジウム組成を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層と、前記第１の窒化ガリウム・インジウム層と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第１の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第２の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有し、前記中間層の厚さｔは、前記第１のインジウム組成（Ｘ １ ）と前記第２のインジウム組成（Ｘ ２ ）との差分をΔＩｎ（＝Ｘ １ −Ｘ ２ ）とした場合に、９００×ΔＩｎ≦ｔ（ｎｍ）≦１１００×ΔＩｎの範囲であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［２］請求項２に係る発明は、前記発光層は、前記構造単位を複数有し、複数の当該構造単位のうち、当該発光層における複数の前記第１のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層を含む構造単位が、当該発光層からの前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［３］請求項３に係る発明は、前記発光層は、前記構造単位を複数有し、複数の当該構造単位のうち、当該発光層における複数の前記第２のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第２の窒化ガリウム・インジウム層を含む構造単位が、当該発光層からの前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［４］請求項４に係る発明は、前記第１のインジウム組成と前記第２のインジウム組成との差分ΔＩｎは、０．０５未満であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［５］請求項５に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［６］請求項６に係る発明は、前記ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［７］請求項７に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族元素又はＶ族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
［８］請求項８に係る発明は、前記構造単位における前記中間層が、前記ドナー不純物としてシリコンを含み、前記中間層におけるシリコンの濃度Ｎ Ｓｉ は、０．８×１０ ２０ ×ΔＩｎ≦Ｎ Ｓｉ ≦１．２×１０ ２０ ×ΔＩｎの範囲であることを特徴とする請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、インジウム組成の濃度差に対応した異なるピーク波長の複数の光を発する窒化ガリウム・インジウム層を備えた発光層を得ることができる。
すなわち、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層の間に中間層を配置して発光層を構成することにより、１個の窒化ガリウム・インジウム層から他の窒化ガリウム・インジウム層へインジウムが侵入することによるインジウム組成の変動が抑制される。かかる発光層は、ピーク波長が異なる複数の光を同時に出射できる多波長発光素子に適用できる。
すなわち、インジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層の間に中間層を配置して発光層を構成することにより、１個の窒化ガリウム・インジウム層から他の窒化ガリウム・インジウム層へインジウムが侵入することによるインジウム組成の変動が抑制される。かかる発光層は、ピーク波長が異なる複数の光を同時に出射できる多波長発光素子に適用できる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するためのものであり、実際の大きさを表すものではない。
＜ＬＥＤチップ１０＞
図１は、本実施の形態が適用されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子としてのＬＥＤチップ１０の一例を示す断面模式図である。
ここでは、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例としてＬＥＤチップ１０を用いて説明する。図１に示すように、ＬＥＤチップ１０は、基板１０１と、基板１０１上に積層される窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０２とを備える。さらに、ＬＥＤチップ１０は、窒化アルミニウム層１０２上に積層される積層半導体層１００と、積層半導体層１００上に成膜された透明導電膜１０８とを備えている。
図１は、本実施の形態が適用されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子としてのＬＥＤチップ１０の一例を示す断面模式図である。
ここでは、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例としてＬＥＤチップ１０を用いて説明する。図１に示すように、ＬＥＤチップ１０は、基板１０１と、基板１０１上に積層される窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０２とを備える。さらに、ＬＥＤチップ１０は、窒化アルミニウム層１０２上に積層される積層半導体層１００と、積層半導体層１００上に成膜された透明導電膜１０８とを備えている。
積層半導体層１００は、窒化アルミニウム層１０２側から、第１の導電型を有する第１の半導体層としてのｎ型半導体層からなる下部クラッド層１０３と、下部クラッド層１０３上に積層される発光層１０４と、発光層１０４上に積層される第１の導電型とは逆の第２の導電型を有する第２の半導体層としてのｐ型半導体層からなる上部クラッド層１０６とを有する。発光層１０４の詳細な構造は後述する。
また、ＬＥＤチップ１０は、下部クラッド層１０３の一部を切り欠くことによって露出した半導体層露出面に形成された第１の電極としてのｎ型オーミック電極１０７と、上部クラッド層１０６の表面のほぼ全体に成膜した透明導電膜１０８の一部の領域に形成した第２の電極としてのｐ型電極１０９を有している。
本実施の形態のＬＥＤチップ１０は、基板１０１とは反対側の面側に第１の電極としてのｎ型オーミック電極１０７および第２の電極としてのｐ型電極１０９が形成された構造を有している。このＬＥＤチップ１０においては、ｎ型オーミック電極１０７を負極、ｐ型電極１０９を正極とし、両者を介して積層半導体層１００（下部クラッド層１０３／発光層１０４／上部クラッド層１０６）に電流を流すことで、発光層１０４が発光するようになっている。
本実施の形態では、基板１０１としては、例えば、ガラス基板、極性又は無極性の結晶面を表面とするサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物結晶、６Ｈ又は４Ｈ又は３Ｃ型炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体結晶が挙げられる。また、基板１０１として、サファイア基板上の窒化ガリウム等のＩＩＩ族窒化物半導体層やシリコン基板上のリン化硼素（ＢＰ）等のＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体からなるエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長層を用いることができる。
窒化アルミニウム層１０２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の半導体層として成膜される。
窒化アルミニウム層１０２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の半導体層として成膜される。
本実施の形態では、下部クラッド層１０３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）単体をドーピング源として、シリコン（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用いて成膜される。
上部クラッド層１０６は、例えば、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）をドーピングしたｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）等を用いて成膜される。
透明導電膜１０８は、例えば、インジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）等を用いて成膜される。
上部クラッド層１０６は、例えば、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）をドーピングしたｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）等を用いて成膜される。
透明導電膜１０８は、例えば、インジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）等を用いて成膜される。
（発光層１０４）
図２は、ＬＥＤチップ１０の発光層１０４の一例を示す断面模式図である。図２（ａ）は、複数の中間層を設けた発光層１０４の一例である。図２（ａ）中のＩは、発光層１０４から出射される光の取り出し方向（発光の取り出し方向Ｉ）であり、発光は下部クラッド層１０３とは反対側の発光層１０４の表面１０４Ａ側から取り出す様式である。
図２（ｂ）は、他の実施の形態の一例である。図２（ｂ）中のＩＩは、発光層２０４から出射される光の取り出し方向（発光の取り出し方向ＩＩ）であり、発光は発光層２０４の表面２０４Ａとは反対側の下部クラッド層２０３側から取り出す様式である。
図２は、ＬＥＤチップ１０の発光層１０４の一例を示す断面模式図である。図２（ａ）は、複数の中間層を設けた発光層１０４の一例である。図２（ａ）中のＩは、発光層１０４から出射される光の取り出し方向（発光の取り出し方向Ｉ）であり、発光は下部クラッド層１０３とは反対側の発光層１０４の表面１０４Ａ側から取り出す様式である。
図２（ｂ）は、他の実施の形態の一例である。図２（ｂ）中のＩＩは、発光層２０４から出射される光の取り出し方向（発光の取り出し方向ＩＩ）であり、発光は発光層２０４の表面２０４Ａとは反対側の下部クラッド層２０３側から取り出す様式である。
本実施の形態では、図１に示すように、ＬＥＤチップ１０の発光層１０４は、基板１０１や基板１０１上の成長層上に形成した下部クラッド層１０３を下地層として形成されている。
図２（ａ）に示すように、発光層１０４は、下部クラッド層１０３上面に順に成膜された、インジウム組成が相違する複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（組成式Ｇａ１−ＸＩｎＸＮ：０＜Ｘ≦１）と、ｎ型窒化ガリウム・インジウム層の間に設けられた拡散バリア層である窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａ１−αＮ：０≦α＜１）からなる中間層と、を含む構成単位を有している。
図２（ａ）に示すように、発光層１０４は、下部クラッド層１０３上面に順に成膜された、インジウム組成が相違する複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（組成式Ｇａ１−ＸＩｎＸＮ：０＜Ｘ≦１）と、ｎ型窒化ガリウム・インジウム層の間に設けられた拡散バリア層である窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａ１−αＮ：０≦α＜１）からなる中間層と、を含む構成単位を有している。
本実施の形態では、ｎ型窒化ガリウム・インジウム層として、第１のインジウム組成（Ｘ１）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ（組成式Ｇａ１−Ｘ１ＩｎＸ１Ｎ：０＜Ｘ１≦１）と、第２のインジウム組成（Ｘ２）を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂ（組成式Ｇａ１−Ｘ２ＩｎＸ２Ｎ：０＜Ｘ２＜１）と、第３のインジウム組成（Ｘ３）を有する第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃ（組成式Ｇａ１−Ｘ３ＩｎＸ３Ｎ：０＜Ｘ３＜１）が形成されている。拡散バリア層（中間層）としては、第１の中間層１０５ａ及び第２の中間層１０５ｂが形成されている。
本実施の形態では、発光層１０４を構成するｎ型窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成は、下部クラッド層１０３又は上部クラッド層１０６を形成する半導体層中のインジウム組成より大きくなるように設定する。発光層１０４を構成するｎ型窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成は、所望する光のピーク波長に対応して適宜決定する。その決定方法としては、例えば、前記特許文献１に記載されているように、インジウム組成と禁止帯幅の関係に基づいて決定する方法が挙げられる。この場合、公知の非線形因子（ｂｏｗｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）に若干の濃度差があるとしても、インジウム組成が高い程、発せられる光の波長は長波長となることには変わりはない。
本実施の形態では、発光層１０４を構成するための複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃ）のインジウム組成は、発光の取り出しの方向Ｉに向かって、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの第１のインジウム組成（Ｘ１）より、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂの第２のインジウム組成（Ｘ２）が小さく、さらに、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂの第２のインジウム組成より、第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの第３のインジウム組成（Ｘ３）が小さくなるように形成されている（Ｘ３＜Ｘ２＜Ｘ１）。
すなわち、本実施の形態では、発光層１０４を構成する複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層（第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃ）の中でも、最も大きいインジウム組成（第１のインジウム組成（Ｘ１））を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを、発光の取り出し方向Ｉと反対側であって下部クラッド層１０３に最も近い位置に配置している。これにより、発光層１０４におけるインジウム組成の中の最大のインジウム組成（第１のインジウム組成（Ｘ１））を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを含む構造単位が、発光層１０４の発光の取り出し方向Ｉに向かい最下層として配置されている。
本実施の形態では、さらに、複数のｎ型窒化ガリウム・インジウム層の中でも、最も小さいインジウム組成（第３のインジウム組成（Ｘ３））を有する第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを、下部クラッド層１０３から見て発光の取り出し方向Ｉの最も遠い位置（発光層１０４の表面１０４Ａ）に配置している。これにより、最も小さいインジウム組成（第３のインジウム組成（Ｘ３））を有し、最も短波長の光を発する第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃが、発光の取り出し方向Ｉの最上層として配置される。このため、発光の取り出し方向Ｉにおいて、発光層１０４内のより上方に位置する窒化ガリウム・インジウム層による光の吸収が抑制され、強度的に高い光が効率的に外部へ取り出される。
本実施の形態では、発光の取り出し方向Ｉを示したように、発光層１０４の上方に設ける上部クラッド層１０６を透過させて外部へ光を取り出す様式のＬＥＤチップ１０（図１）を採用している。
すなわち、本実施の形態（図２（ａ））では、ＩＩＩ族窒化物半導体等の広い禁止帯幅の半導体材料から構成する下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０６の中間の位置に配置する発光層１０４において、下部クラッド層１０３に最も近接させて、最も大きいインジウム組成（Ｘ１）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを配置している。
すなわち、本実施の形態（図２（ａ））では、ＩＩＩ族窒化物半導体等の広い禁止帯幅の半導体材料から構成する下部クラッド層１０３及び上部クラッド層１０６の中間の位置に配置する発光層１０４において、下部クラッド層１０３に最も近接させて、最も大きいインジウム組成（Ｘ１）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを配置している。
一方、後述するように、発光層１０４の成長時に下部クラッド層１０３を下地層として利用するのに変わりは無いものの、光学的に透明な基板１０１を使用することを利用して、基板１０１の裏面側から外部へ光を取り出す、所謂、アップサイドダウン型のマウント（支持）を予定しているＬＥＤチップの場合、上部クラッド層１０６に最も近接させて最も大きいインジウム組成を有する窒化ガリウム・インジウム層を配置する。
本実施の形態では、発光層１０４の一構成要素である中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、インジウム組成が相違する２個の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）の中間の位置にそれぞれ配置されている。本実施の形態では、窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）と中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を交互に反復して積層させ、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を２個の窒化ガリウム・インジウム層の中間に挟む構造として発光層１０４を構成している。
本実施の形態では、２個の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）の間に位置する中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、その両側に位置する何れの窒化ガリウム・インジウム層よりも格子定数が小さい材料から構成することが望ましい。本実施の形態では、窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａ１−αＮ：０≦α＜１）から構成している。窒化アルミニウム・ガリウムに比べてガリウムを含まない（（アルミニウム組成）α＝１）窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は禁止帯幅が広く、発光層１０４の電気抵抗が増加するため、用いることは好ましくない。発光層１０４をなす中間層（１０５ａ，１０５ｂ）も窒化ガリウム・インジウム層と同一の伝導型の層から構成するのが好適である。例えば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）と窒化ガリウム・インジウム層の双方をｎ型の導電層から構成する。
本実施の形態では、２個の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）の間に配置する中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の一方の側に在る窒化ガリウム・インジウム層から、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の他の側に在る窒化ガリウム・インジウム層へ拡散により侵入するインジウムの量を減ずる作用をする。
本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚は、両側の窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）の濃度差（ΔＩｎ：本実施の形態では、（Ｘ１−Ｘ２，Ｘ２−Ｘ３））の大小に依り変化させると、よりその作用を発揮できる。中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の厚さは、両側に配置された窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が大である程、大きくすることが好ましい。また、窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）や中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の成長温度が高ければ、インジウム原子の拡散がより顕著に進むことから、窒化ガリウム・インジウム層を成長させる際の成長温度に依り変化させることが好ましい。
本実施の形態では、分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）法により、シリコン基板の｛１１１｝表面上に形成した窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に、基板１０１の温度を４８０℃としてインジウム組成が相違する複数の窒化ガリウム・インジウム層を重層させる場合を一例として挙げる。この場合、各中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の両側に在る窒化ガリウム・インジウム層のインジウム組成（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）の濃度差（ΔＩｎ）が、例えば、０．０２であれば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の厚さは、８ｎｍ〜２２ｎｍとするのが望ましい。インジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が過度に小さいと、窒化ガリウム・インジウム層内のインジウム原子の拡散は顕著には生じない。この場合、厚い拡散バリア層としての中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を配置すると、発光層１０４の電気的抵抗が増加する傾向がある。
本実施の形態では、シリコンを添加したｎ型窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に複数の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）を形成する場合、下部クラッド層１０３の表面近傍の領域で、シリコン等の不純物の原子濃度を減少させた窒化ガリウム層を下部クラッド層１０３として用いることが好ましい。これにより、所望のインジウム組成を有する窒化ガリウム・インジウム層が得られ易くなる。また、ガリウムよりも原子半径が小さいシリコン等の原子濃度を減少させることにより、窒化ガリウムの結晶格子の縮みを抑制でき、窒化ガリウムより格子定数の大きな窒化ガリウム・インジウム層を形成するのに格子ミスフィットを緩和できる。
本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚を増せば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の両側に在る窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）の相互間でのインジウム原子の拡散を防止するのにより効果を奏する。一方で、窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）から発せられる光を透過するために、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ）よりも広い禁止帯幅の材料から構成すると、発光層１０４の電気抵抗は増加する。このため、本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚の増加に応じて、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）内のドナー不純物の原子濃度を高めることが好ましい。即ち、発光層１０４を構成する複数の中間層（１０５ａ，１０５ｂ）にあって、最も厚い中間層は、最も高濃度にドナー不純物を含むものであることが好ましい。
本実施の形態では、例えば、インジウム組成が相違する２層の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）と、両層の中間に一層の中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を設けて発光層１０４を構成する場合、拡散バリア層である中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の層厚は、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の両側に在る２層の窒化ガリウム・インジウム層（１０４ａと１０４ｂ、１０４ｂと１０４ｃ）のインジウム組成の濃度差が大きい程、厚くするのが好ましい。また、ドナー不純物の原子濃度も高くするのが好ましい。
本実施の形態では、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、ＩＩＩ族窒化物半導体等の広い禁止帯幅を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することが好ましい。このような中間層（１０５ａ，１０５ｂ）に含まれるドナー不純物としては、元素周期律の第ＩＶ族に属するシリコン、ゲルマニウム、錫（元素記号：Ｓｎ）等を例示できる。これらの中でも中間層（１０５ａ，１０５ｂ）をなすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成するＩＩＩ族元素又はＶ族元素よりも原子半径が小さい元素からなるドナー不純物が好ましい。
原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことにより結晶の格子が縮む様にすると、原子半径が大きいインジウム（原子半径＝１．６６オングストローム（単位：Å）、１Å＝０．１ｎｍ）の通過を妨げるに効力を奏する。
原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことにより結晶の格子が縮む様にすると、原子半径が大きいインジウム（原子半径＝１．６６オングストローム（単位：Å）、１Å＝０．１ｎｍ）の通過を妨げるに効力を奏する。
本実施の形態では、例えば、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）を窒化ガリウムから構成する場合、ガリウム原子（原子半径＝１．４１Å）より原子半径の小さなシリコン（原子半径＝１．３２Å）やゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ，原子半径＝１．３７Å）は、ドナー不純物として好適に利用できる。
シリコン（Ｓｉ）を含む中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、ＭＢＥ法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｙｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。
シリコン（Ｓｉ）を含む中間層（１０５ａ，１０５ｂ）は、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ又はＭＯＶＰＥ等と略称される）法、ＭＢＥ法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法、ハライド（ｈａｌｙｄｅ）法等の気相成長法により形成できる。
ＭＯＣＶＤ法等では、シラン（分子式：ＳｉＨ４）やメチルシラン類（分子式：（ＣＨ３）ＸＳｉＨ４−Ｘ）等のシラン類をシリコン（Ｓｉ）のドーピング源として使用できる。また、ゲルマン（分子式：ＧｅＨ４）等をゲルマニウムのドーピング源として使用できる。ＭＢＥ法では、高純度のシリコンやゲルマニウムを、シリコンやゲルマニウムのドーピング源として使用できる。
これらの成長手段にあって、中間層（１０５ａ，１０５ｂ）の内のドナー不純物の原子濃度は、５×１０１７原子／ｃｍ３から２×１０１９原子／ｃｍ３であることが望ましく、ドナー不純物の濃度は、成長反応系へのドーピング源の供給量を増減させて調節する。中間層（１０５ａ，１０５ｂ）内のドナー不純物の原子濃度は、例えば、２次イオン質量分析法（英略称：ＳＩＭＳ）により定量できる。
図２（ｂ）は、複数の中間層を設けた発光層２０４の他の実施の形態の一例である。
図２（ｂ）に示す発光層２０４は、ｎ型窒化ガリウムからなる下部クラッド層２０３上に形成されており、発光は下部クラッド層２０３側から取り出す様式（発光の取り出し方向ＩＩ）となっている（アップサイドダウン型或いはフェースダウン型と呼称される発光の取り出し様式である）。発光層２０４は、第１のインジウム組成（Ａ）である第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａと、第２のインジウム組成（Ｂ：但し、Ｂ＜Ａ）である第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ及び第２のインジウム組成である第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃを有している。さらに、第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａと第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂとの間に、窒化アルミニウム・ガリウムからなる中間層２０５ａが形成されている。
図２（ｂ）に示す発光層２０４は、ｎ型窒化ガリウムからなる下部クラッド層２０３上に形成されており、発光は下部クラッド層２０３側から取り出す様式（発光の取り出し方向ＩＩ）となっている（アップサイドダウン型或いはフェースダウン型と呼称される発光の取り出し様式である）。発光層２０４は、第１のインジウム組成（Ａ）である第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａと、第２のインジウム組成（Ｂ：但し、Ｂ＜Ａ）である第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ及び第２のインジウム組成である第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃを有している。さらに、第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａと第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂとの間に、窒化アルミニウム・ガリウムからなる中間層２０５ａが形成されている。
本実施の形態では、最も小さいインジウム組成（Ｂ）を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ及び第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃを、下部クラッド層２０３に最も近接させて配置し、最も大きいインジウム組成（Ａ）を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａを、発光層２０４の表面２０４Ａに配置し、発光の外部への取り出し効率を上げている。
本実施の形態では、１個の中間層２０５ａが、インジウム組成が相違する２個の窒化ガリウム・インジウム層（第１の窒化ガリウム・インジウム層２０４ａ，第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂ）の間に設けられている。これは、第２の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｂと第３の窒化ガリウム・インジウム層２０４ｃとのインジウム組成が等しいので、層間でインジウム原子の拡散が生じないためである。もし、インジウム組成が等しい２個の窒化ガリウム・インジウム層の間に中間層を挿入する場合は、順方向電流の通流の妨害とならない様な薄い層とすることが好ましい。
本実施の形態が適用されるＬＥＤチップ１０には、発光層１０４を構成する窒化ガリウム・インジウム層よりも広い禁止帯幅を有する半導体材料からなる上部クラッド層１０６を発光層１０４上に設ける。上部クラッド層１０６は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶（組成式ＡｌαＧａβＩｎγＮ：α＋β＋γ＝１）から構成される。上部クラッド層１０６には、同層の電気伝導型に対応させてオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を敷設する。
本実施の形態では、例えば、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌαＧａβＮ：α＋β＝１）からなる上部クラッド層１０６には陽極（＋）オーミック電極を設ける。陽極（＋）オーミック電極としては、発光の外部への取り出しに支障を来たさない透明な導電性酸化物膜等が好ましく用いられる。本実施の形態では、例えば、インジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）膜やインジウム・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）膜からなる透明導電膜１０８を、上部クラッド層１０６上に成膜している。そして、透明導電膜１０８の上に電源端子との接続に用いられるｐ型電極１０９を配置している。
また、発光層１０４下の窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶等からなる下部クラッド層１０３には、同層の電気伝導型に対応したオーミック電極を敷設する。例えば、ｎ型窒化ガリウム層からなる下部クラッド層１０３には、それに電気的に接触する陰極（−）オーミック電極を設ける。陰極電極は設けるにあたって必要ならば、その電極を形成する領域に或る上部クラッド層及び発光層をドライエッチング法等に依り除去する。本実施の形態では、下部クラッド層１０３の一部を切り欠くことによって露出した半導体層露出面に形成された陰極電極としてのｎ型オーミック電極１０７を形成している。
次に、本発明を、実施例および比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例では、図２に示した構造の発光層１０４を有し、図１に示す構造のＩＩＩ族窒化物半導体からなるＬＥＤチップ１０を作製し、発光素子としての性能を測定した。
（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）−シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１の表面上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、後記のＩＩＩ族窒化物半導体各層を成長させた。窒素源には、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（電力単位：Ｗ））窒素プラズマを用いた。基板１０１と対向する窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を減少させた。これにより、窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した。
本実施例では、図２に示した構造の発光層１０４を有し、図１に示す構造のＩＩＩ族窒化物半導体からなるＬＥＤチップ１０を作製し、発光素子としての性能を測定した。
（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（元素記号：Ｓｂ）ドープｎ型（１１１）−シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０１の表面上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法により、後記のＩＩＩ族窒化物半導体各層を成長させた。窒素源には、窒素ガスを高周波（１３．５６ＭＨｚ）で励起した（励起電力＝３３０ワット（電力単位：Ｗ））窒素プラズマを用いた。基板１０１と対向する窒素プラズマを発生させるためのセル（ｃｅｌｌ）の開口部には、直径を０．５ｍｍとした微細な孔を複数、穿孔した円形噴出板を設け、２５０ｎｍ以上で３７０ｎｍ以下の波長領域の窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を減少させた。これにより、窒素分子の第二正帯に因る発光ピークの強度を、波長を７４５ｎｍとする原子状窒素の発光ピークの強度の１／１０以下とする窒素プラズマ雰囲気を形成した。
上記の基板１０１の表面上には、アルミニウム（Ａｌ）単体金属をアルミニウム源として、基体温度を７８０℃としてアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の高抵抗の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０２（層厚＝３０ｎｍ）を成長させた。成長時のステンレス鋼製の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３パスカル（圧力単位：Ｐａとした。次に、窒化アルミニウム層１０２上に、シリコン（Ｓｉ）単体をドーピング源として、シリコン（Ｓｉ）ドープｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる下部クラッド層１０３（層厚＝３μｍ、キャリア濃度＝２×１０１８ｃｍ−３）を成長させた。ガリウム（Ｇａ）のフラックス（ｆｌｕｘ）量は、１．１×１０−４Ｐａとした。成長時の成長チャンバー内の圧力は５×１０−３Ｐａとした。下部クラッド層１０３をなす窒化ガリウム層の成長の途中時及び終了時での表面再配列構造は、ガリウムを窒素よりも化学量論的に富裕に含むことを示す（２×２）構造であった。
次に、窒化ガリウム層からなる下部クラッド層１０３上に、窒素プラズマを発生させるために窒素ガスの流量を毎分０．７ｃｃとして発光層１０４をなすｎ型の第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａを成長させた。３層の窒化ガリウム・インジウム層の中で最もインジウム組成が高い第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａは、インジウムのフラックス量を７．０×１０−８Ｐａとし、ガリウムのフラックス量を５．１×１０−８Ｐａとして形成した。第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａのインジウム組成は、０．０８（＝８％）とした。第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの層厚は１２ｎｍとした。
引き続き、第１の窒化ガリウム・インジウム層（インジウム組成＝０．０８）１０４ａ上には、シリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型の窒化ガリウムからなる第１の中間層１０５ａを形成した。第１の中間層１０５ａを形成する際のガリウムのフラックス量は、上記の第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの形成時と同じく５．１×１０−８Ｐａとした。インジウムのフラックスは、回転式シャッターを閉状態として遮断した。
第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａの次には、インジウム組成を０．０６（＝６％）とする第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂを設けることを予定した。第１の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ａ（Ｉｎ組成＝０．０８）と第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂのインジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が０．０２であるので、第１の中間層１０５ａは、次の関係式（１）から求められる範囲内の厚さとした。即ち、第１の中間層１０５ａの厚さは、２１ｎｍとした。尚、関係式（１）は、インジウム組成の濃度差が小さな（ΔＩｎ＜０．０５）ときに良く適合する。
９００×ΔＩｎ≦ｔ（ｎｍ）≦１１００×ΔＩｎ・・・（関係式（１））
また、一般的なＳＩＭＳ分析によれば、第１の中間層１０５ａの内部でのシリコンの原子濃度は略一定で、１．７×１０１８原子／ｃｍ３であった。
９００×ΔＩｎ≦ｔ（ｎｍ）≦１１００×ΔＩｎ・・・（関係式（１））
また、一般的なＳＩＭＳ分析によれば、第１の中間層１０５ａの内部でのシリコンの原子濃度は略一定で、１．７×１０１８原子／ｃｍ３であった。
次に、インジウムを収納するセルに付帯するシャッターを開け、ガリウムのフラックス量を５．１×１０−８Ｐａとしつつ、第１の中間層１０５ａ上に、予定どおりのｎ型の第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂを形成した。第１のインジウム組成より０．０２小さい０．０６とした。インジウムのフラックス量は、５．５×１０−８Ｐａとした。第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂの層厚は１８ｎｍとした。
経時的に続けて、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂ（インジウム組成＝０．０６）上には、シリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型の窒化ガリウムからなる第２の中間層１０５ｂを形成した。第２の中間層１０５ｂを形成する際のガリウムのフラックス量は、上記の第１の中間層１０５ａの形成時と同じく５．１×１０−８Ｐａとした。インジウムのフラックスは回転式シャッターを閉にして遮断した。ｎ型窒化ガリウムからなる第２の中間層１０５ｂ上には、インジウム組成を０．０３（３％）とする第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを設けることとした。従って、第２の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｂ（Ｉｎ組成＝０．０６）と第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成の濃度差（ΔＩｎ）が０．０３であるので、第２の中間層１０５ｂの厚さは、３０ｎｍとした。
第２の中間層１０５ｂのシリコンの原子濃度は、上記の第１の中間層１０５ａよりも高くした。第２の中間層１０５ｂの層内のシリコンの原子濃度（Ｎｓｉ（原子／ｃｍ３））は、次記する関係式（２）で求められる範囲内の濃度である３×１０１８原子／ｃｍ３とした。
０．８×１０２０×ΔＩｎ≦Ｎｓｉ≦１．２×１０２０×ΔＩｎ・・・（関係式（２））
関係式（２）の式中に記載の記号ΔＩｎは、中間層の両側に配置された２個の窒化ガリウム・インジウム層（第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂ，第３の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｃ）のインジウム組成の濃度差である。
０．８×１０２０×ΔＩｎ≦Ｎｓｉ≦１．２×１０２０×ΔＩｎ・・・（関係式（２））
関係式（２）の式中に記載の記号ΔＩｎは、中間層の両側に配置された２個の窒化ガリウム・インジウム層（第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂ，第３の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｃ）のインジウム組成の濃度差である。
次に、インジウムを収納するセルに付帯するシャッターを開け、ガリウムのフラックス量を５．１×１０−８Ｐａとしつつ、第２の中間層１０５ｂ上に、ｎ型の第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを形成した。第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成は、第１の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ａ及び第２の窒化物ガリウム・インジウム層１０４ｂの何れよりも更に小さく、０．０３とした。インジウムのフラックス量は、４．０×１０−８Ｐａとした。第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの層厚は１５ｎｍとした。
インジウム組成が相違する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃと、それらの層の中間に設けた窒化ガリウムからなる第１の中間層１０５ａ及び第２の中間層１０５ｂとからなる発光層１０４を形成した後、積層した構造体を一旦、ＭＢＥ成長チャンバーから外部へ取り出して、発光層１０４のからのルミネッセンスのスペクトルを測定した。
図３は、本実施例で作製した発光層１０４からのフォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）スペクトルである。図３に示すように、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成に対応し、ピーク（ｐｅａｋ）波長が３６５ｎｍ、３８６ｎｍ及び３９５ｎｍとする発光が測定された。
図３は、本実施例で作製した発光層１０４からのフォトルミネッセンス（英略称：ＰＬ）スペクトルである。図３に示すように、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃのインジウム組成に対応し、ピーク（ｐｅａｋ）波長が３６５ｎｍ、３８６ｎｍ及び３９５ｎｍとする発光が測定された。
室温でのＰＬスペクトル測定を終了した後、再び、積層構造体をＭＢＥチャンバー内に戻した。チャンバー内の真空度が安定してから、発光層１０４上にマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）をドーピングしたｐ型窒化アルミニウム・ガリウム（組成式ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）からなる上部クラッド層１０６を形成した。上部クラッド層１０６をなす窒化アルミニウム・ガリウム層のアルミニウム組成（Ｘ）は、上記の第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃとの接合面で０．１０とした。アルミニウム組成は、層厚が２０ｎｍに達した所で０．０３となる様に直線的に減少させた。そこから更に、表面に向けてアルミニウム組成が０となる様に、直線的に変化させた。
アルミニウム組成に勾配を付した窒化アルミニウム・ガリウム層からなる上部クラッド層１０６及び発光層１０４の一部の領域を一般的なドライエッチング法により除去した。この除去により露出させた下部クラッド層１０３の表面にｎ型オーミック電極１０７を設けた。残置させた上部クラッド層１０６の表面のほぼ全体にインジウム・亜鉛・錫複合酸化物（英略称：ＩＺＴＯ）からなる透明導電膜１０８を被着させた。透明導電膜１０８の一部の領域には、ｐ型電極１０９を形成した。
然る後、一般的な裁断法により一辺の長さを３５０μｍとする個別のＬＥＤチップ１０とし、ＬＥＤの光学的及び電気的特性を測定した。上部クラッド層１０６側から外部へ出射される光のスペクトルは、図４に示すＰＬスペクトルとピーク波長及び相対的な発光強度共々、同等であった。順方向電圧を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．５Ｖであった。２０ｍＡの順方向電流の経時変化（電流ドリフト）を測定したところ、通流を開始した後から２５分間後の順方向電流に経時的な変化は殆どなかった。
（比較例１）
本比較例では、上記の実施例１で作製したＬＥＤチップ１０において、第１の中間層１０５ａ〜第２の中間層１０５ｂを有しない構造の発光層１０４を形成した。すなわち、実施例１において作製した窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に、インジウム組成が相違する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを連続的に形成した。ここで、連続的とは、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの中間に中間層を一切配置せず、これら各層を順次積層させたことを意味する。
次に、このような操作を経て作製したＬＥＤチップについて、実施例１と同様に発光素子としての性能を測定した。
本比較例では、上記の実施例１で作製したＬＥＤチップ１０において、第１の中間層１０５ａ〜第２の中間層１０５ｂを有しない構造の発光層１０４を形成した。すなわち、実施例１において作製した窒化ガリウムからなる下部クラッド層１０３上に、インジウム組成が相違する第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃを連続的に形成した。ここで、連続的とは、第１の窒化ガリウム・インジウム層１０４ａ〜第３の窒化ガリウム・インジウム層１０４ｃの中間に中間層を一切配置せず、これら各層を順次積層させたことを意味する。
次に、このような操作を経て作製したＬＥＤチップについて、実施例１と同様に発光素子としての性能を測定した。
図４は、本比較例で作製した発光層からのフォトルミネッセンススペクトルである。図４のフォトルミネッセンススペクトルに示すように、中間層を用いずに発光層１０４を構成した場合は、ピーク波長が約３７２ｎｍとする半値幅が広い唯一の発光が得られるのみであった。即ち、中間層を省くことにより、発光層１０４を構成する窒化ガリウム・インジウム層の相互間でのインジウムの拡散を充分に防止できず、結局、インジウム組成に対応した複数のピーク波長を呈する発光が得られないことが如実に示される結果となった。
波長が異なる多波長の光を出射する機能とは、換言すれば、波長が相違する複数の光を吸収する機能である。従って、本実施の形態が適用されるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子における発光層は、単一の波長の光のみでなく異なるピーク波長の光を発せられるので、波長が相違する複数の光を吸収する光電変換のための光吸収層、例えば、太陽電池用途の受光層としても利用できる。
１０…ＬＥＤチップ、１００…積層半導体層、１０１…基板、１０２…窒化アルミニウム層、１０３，２０３…下部クラッド層、１０４，２０４…発光層、１０４Ａ，２０４Ａ…発光層の表面、１０４ａ，２０４ａ…第１の窒化ガリウム・インジウム層、１０４ｂ，２０４ｂ…第２の窒化ガリウム・インジウム層、１０４ｃ，２０４ｃ…第３の窒化ガリウム・インジウム層、１０５ａ，２０５ａ…第１の中間層、１０５ｂ…第２の中間層、１０６…上部クラッド層、１０７…ｎ型オーミック電極、１０８…透明導電膜、１０９…ｐ型電極
Claims (8)
- ｐｎ接合型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
第１の導電型を有する第１の半導体層、発光層及び当該第１の導電型とは逆の導電性を示す第２の導電型を有する第２の半導体層が積層された積層半導体層と、
前記第１の半導体層と接続する第１の電極と、
前記第２の半導体層の表面に設けた第２の電極と、を備え、
前記積層半導体層の前記発光層は、
第１のインジウム組成を有する第１の窒化ガリウム・インジウム層と、
前記第１の窒化ガリウム・インジウム層より前記発光層からの発光の取り出し方向側に配置され、前記第１のインジウム組成より小さい組成の第２のインジウム組成を有する第２の窒化ガリウム・インジウム層と、
前記第１の窒化ガリウム・インジウム層と前記第２の窒化ガリウム・インジウム層との間に設けられ、当該第１の窒化ガリウム・インジウム層及び当該第２の窒化ガリウム・インジウム層を構成する材料より格子定数が小さい材料からなる中間層と、を含む構造単位を有し、
前記中間層の厚さｔは、前記第１のインジウム組成（Ｘ １ ）と前記第２のインジウム組成（Ｘ ２ ）との差分をΔＩｎ（＝Ｘ １ −Ｘ ２ ）とした場合に、９００×ΔＩｎ≦ｔ（ｎｍ）≦１１００×ΔＩｎの範囲であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。 - 前記発光層は、前記構造単位を複数有し、複数の当該構造単位のうち、当該発光層における複数の前記第１のインジウム組成の中の最大のインジウム組成を有する前記第１の窒化ガリウム・インジウム層を含む構造単位が、当該発光層からの前記発光の取り出し方向に向かい最下層に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
- 前記発光層は、前記構造単位を複数有し、複数の当該構造単位のうち、当該発光層における複数の前記第２のインジウム組成の中の最小のインジウム組成を有する前記第２の窒化ガリウム・インジウム層を含む構造単位が、当該発光層からの前記発光の取り出し方向に向かい最上層に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
- 前記第１のインジウム組成と前記第２のインジウム組成との差分ΔＩｎは、０．０５未満であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
- 前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
- 前記ＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体が、窒化アルミニウム・ガリウムであることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
- 前記構造単位における前記中間層が、ＩＩＩ族元素又はＶ族元素より原子半径が小さい元素からなるドナー不純物を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
- 前記構造単位における前記中間層が、前記ドナー不純物としてシリコンを含み、
前記中間層におけるシリコンの濃度Ｎ Ｓｉ は、０．８×１０ ２０ ×ΔＩｎ≦Ｎ Ｓｉ ≦１．２×１０ ２０ ×ΔＩｎの範囲であることを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
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