JP6079628B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
基板上に、ｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層がこの順で積層された半導体発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザ（ＬＤ）等は、青及び緑等の発光が得られることから、研究開発が盛んに進められている。
これらの半導体発光素子を製造する方法としては、一般に、異種基板上に低温バッファ層等の中間層等を介して、基板表面の平坦化及び異種基板からの貫通ピットを低減するためにＧａＮ層を成膜し、その上に、ｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層を積層する。
これらの半導体発光素子を製造する方法としては、一般に、異種基板上に低温バッファ層等の中間層等を介して、基板表面の平坦化及び異種基板からの貫通ピットを低減するためにＧａＮ層を成膜し、その上に、ｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層を積層する。
しかし、このように、異種基板上にＧａＮ層を成長させる方法では、ＧａＮに存在する無数の転位が、ｎ側半導体層、活性層からｐ側半導体層へと引き継がれることとなる。特に活性層がＩｎを含有する場合には、結晶欠陥も多くなり、その結果、非発光再結合確率が大きく低減することとなる。
一方、高輝度でかつ高発光効率を有する半導体発光素子を得るために、井戸層の厚みを変化させること、あるいは、活性層の障壁層及び井戸層の単位周期数を、ｎ側半導体層側よりもp側半導体層側で多く設定することなどが提案されている（例えば、特許文献１）。
一方、高輝度でかつ高発光効率を有する半導体発光素子を得るために、井戸層の厚みを変化させること、あるいは、活性層の障壁層及び井戸層の単位周期数を、ｎ側半導体層側よりもp側半導体層側で多く設定することなどが提案されている（例えば、特許文献１）。
しかし、積層構造において一旦発生した転位及び欠陥は、その上に半導体層を積層することによっては容易には低減させることはできない。また、活性層の井戸層の厚膜化又は積層数の増加によって、転位及び欠陥がさらに増大する傾向がある。この結果、転位及び結晶欠陥の多い発光層に起因して、結局高い発光効率を得ることができない。加えて、転位及び欠陥を内在した活性層中の井戸層の厚膜化又は積層数の増加は、単に直列抵抗成分を増大させる結果となり、より順方向電圧Ｖｆが高くなって、高効率化を妨げるという問題を招く。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、転位及び結晶欠陥に起因する発光効率の低下を抑制し、直列抵抗成分を減少させて、さらなる発光効率の向上を実現することができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明は、
基板上に、ｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層がこの順に積層された半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数の障壁層とこれら障壁層に隣接する複数の井戸層とを含んで構成された多重量子井戸構造を有し、
前記障壁層のうちの前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された最終障壁層と、該最終障壁層に井戸層を介して隣接する１以上の障壁層とが、前記ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜であることを特徴とする半導体発光素子である。
基板上に、ｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層がこの順に積層された半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数の障壁層とこれら障壁層に隣接する複数の井戸層とを含んで構成された多重量子井戸構造を有し、
前記障壁層のうちの前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された最終障壁層と、該最終障壁層に井戸層を介して隣接する１以上の障壁層とが、前記ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜であることを特徴とする半導体発光素子である。
また、基板上に、ｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層がこの順に積層された半導体発光素子であって、
前記活性層は、障壁層と該障壁層に隣接する井戸層とからなる複数の単位周期を含んで構成された多重量子井戸構造を有し、
前記単位周期のうちの前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された単位周期と、該単位周期に隣接する１以上の単位周期との膜厚が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期の膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体発光素子である。
前記活性層は、障壁層と該障壁層に隣接する井戸層とからなる複数の単位周期を含んで構成された多重量子井戸構造を有し、
前記単位周期のうちの前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された単位周期と、該単位周期に隣接する１以上の単位周期との膜厚が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期の膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体発光素子である。
これらのような半導体発光素子は、以下の１以上を備えることが好ましい。
前記活性層は、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期とを有し、かつ
前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数が、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数よりも多い。
前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層よりも厚膜である。
前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層は、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における井戸層の膜厚の１．５倍以上の膜厚を有する。
前記活性層は、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と同じ膜厚を有し、該障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層と、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と同じ膜厚を有し、該障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層とを有し、かつ
前記ｎ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数が、前記ｐ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数よりも多い。
前記最終障壁層は、隣接する前記井戸層の膜厚の１．５倍以上の膜厚を有する。
前記障壁層と前記井戸層とが交互に積層される。
前記井戸層は、アンドープＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいアンドープの窒化物半導体からなる。
前記井戸層は、アンドープＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層は、アンドープＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ又は前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いアンドープＩｎＧａＮからなる。
前記井戸層のＩｎの混晶比が、０．１以上０．４以下である。
前記井戸層と障壁層との間に、該井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層を有する。
前記活性層は、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期とを有し、かつ
前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数が、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数よりも多い。
前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層よりも厚膜である。
前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層は、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における井戸層の膜厚の１．５倍以上の膜厚を有する。
前記活性層は、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と同じ膜厚を有し、該障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層と、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と同じ膜厚を有し、該障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層とを有し、かつ
前記ｎ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数が、前記ｐ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数よりも多い。
前記最終障壁層は、隣接する前記井戸層の膜厚の１．５倍以上の膜厚を有する。
前記障壁層と前記井戸層とが交互に積層される。
前記井戸層は、アンドープＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層は、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいアンドープの窒化物半導体からなる。
前記井戸層は、アンドープＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層は、アンドープＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ又は前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いアンドープＩｎＧａＮからなる。
前記井戸層のＩｎの混晶比が、０．１以上０．４以下である。
前記井戸層と障壁層との間に、該井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層を有する。
本発明の半導体発光素子によれば、転位及び結晶欠陥に起因する発光効率の低下を抑制し、直列抵抗成分を減少させて、さらなる発光効率の向上を実現することができる。
本発明の半導体発光素子は、いわゆるＬＥＤと称されるものであり、図１に示すように、主として、基板１上に、ｎ側半導体層２、活性層３及びｐ側半導体層４がこの順に積層された半導体層５を備える。なお、基板１は、最終形態においては存在しなくてもよい。
さらに、ｐ側半導体層４は、その上面の略全面に接続された全面電極６及びこの全面電極６の一部に接続されたｐ電極７を有している。また、ｐ側半導体層４及び活性層３の一部ならびにｎ側半導体層２の一部が除去されて、ｎ側半導体層２を構成するｎ型コンタクト層が露出しており、その露出した面にｎ電極８が接続されている。
さらに、ｐ側半導体層４は、その上面の略全面に接続された全面電極６及びこの全面電極６の一部に接続されたｐ電極７を有している。また、ｐ側半導体層４及び活性層３の一部ならびにｎ側半導体層２の一部が除去されて、ｎ側半導体層２を構成するｎ型コンタクト層が露出しており、その露出した面にｎ電極８が接続されている。
なお、図示されないが、基板１、半導体層５の側面及び上面の一部、任意に、ｐ電極７、ｎ電極８上の側面及び上面の一部には、保護膜が形成されている。
ここでの「一部」とは、面内における一部（領域の一部）及び膜厚方向の一部の双方を含む。
ここでの「一部」とは、面内における一部（領域の一部）及び膜厚方向の一部の双方を含む。
ｎ側半導体層２、活性層３及びｐ側半導体層４は、例えば、式（Ａ）
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１） （Ａ）
で表される化合物半導体によって形成することができる。これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。
ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１） （Ａ）
で表される化合物半導体によって形成することができる。これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。
ｎ側半導体層２は、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等を１種類以上含有している層が配置されている、活性層３に対する一方側の単層又は積層層の総称である。なかでも、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｓｎが好ましい。
ｐ側半導体層４は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等層が配置されている、活性層３に対する他方側の単層又は積層層の総称である。
ｐ側半導体層４は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等層が配置されている、活性層３に対する他方側の単層又は積層層の総称である。
〔活性層３〕
活性層３は、多重量子井戸構造を有している。多重量子井戸構造は、１つの障壁層とこの障壁層に隣接する１つの井戸層とからなる単位周期Ｕを複数有して形成されている。言い換えると、多重量子井戸構造は、障壁層と、その障壁層に井戸層を介して隣接する１以上の障壁層と、２以上の井戸層とを有して形成されている。単位周期の数、障壁層及び井戸層の数は、特に限定されず、それぞれ、例えば、５０以下であることが適しており、３０以下であることが好ましく、２０以下であることがより好ましい。なかでも、７〜１５程度がさらに好ましい。
活性層３は、多重量子井戸構造を有している。多重量子井戸構造は、１つの障壁層とこの障壁層に隣接する１つの井戸層とからなる単位周期Ｕを複数有して形成されている。言い換えると、多重量子井戸構造は、障壁層と、その障壁層に井戸層を介して隣接する１以上の障壁層と、２以上の井戸層とを有して形成されている。単位周期の数、障壁層及び井戸層の数は、特に限定されず、それぞれ、例えば、５０以下であることが適しており、３０以下であることが好ましく、２０以下であることがより好ましい。なかでも、７〜１５程度がさらに好ましい。
ｎ側半導体層及びｐ側半導体層に隣接する層は、障壁層であってもよいし、井戸層であってもよいが、障壁層が、ｎ側半導体層及びｐ側半導体層の双方に隣接することが好ましい。なお、ｎ側半導体層に隣接する障壁層を第１障壁層という場合があり、ｐ側半導体層に隣接する障壁層を最終障壁層という場合がある。
活性層３を構成する井戸層は、式（Ａ）において、Ｉｎを含有していることが好ましく、つまり、Ｉｎの混晶比（ｘ）が０．４程度以下であることが好ましく、０．３程度以下であることがより好ましい。また、０．１程度以上であることが適している。Ｉｎの混晶比は、半導体発光素子の発光波長を決定する因子となり、本発明は、特に、Ｉｎ混晶比が低い短波長側の発光素子に対して有利に作用する。
通常、障壁層と井戸層とは、その組成が異なる。例えば、障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいアンドープの窒化物半導体からなるものが好ましい。具体的には、井戸層が、ＩｎjＧａ1-jＮ（０≦ｊ＜１）からなる場合、障壁層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又は井戸層よりもＩｎの混晶比が小さいＩｎＧａＮからなるものが挙げられる。なお、障壁層が、井戸層よりもＩｎの混晶比の小さいＩｎＧａＮからなる場合、Ｉｎの混晶比は、全井戸層及び全障壁層のＩｎ組成をそれぞれ平均化した値で比較する。
活性層では、通常、井戸層は１〜８ｎｍ、好ましくは１．５〜５ｎｍ程度の範囲内の厚みを有し、障壁層は、１．５〜１６ｎｍ、好ましくは２〜１０ｎｍ程度の範囲内の厚みを有する。一般に、障壁層は、井戸層の１．５倍程度以上の膜厚を有していることが適しており、２倍程度以上の膜厚を有していることが好ましい。特に、最終障壁層は、隣接する井戸層の１．５倍程度以上の膜厚を有していることが適しており、２倍程度以上の膜厚を有していることが好ましい。障壁層を井戸層よりも厚膜とすることにより、Ｉｎの混晶によって、さらに、Ｉｎの混晶比を高くすることによって発生し得る欠陥を補填することができ、良好な品質の井戸層、ひいては良質の活性層を得ることができる。
活性層では、通常、井戸層は１〜８ｎｍ、好ましくは１．５〜５ｎｍ程度の範囲内の厚みを有し、障壁層は、１．５〜１６ｎｍ、好ましくは２〜１０ｎｍ程度の範囲内の厚みを有する。一般に、障壁層は、井戸層の１．５倍程度以上の膜厚を有していることが適しており、２倍程度以上の膜厚を有していることが好ましい。特に、最終障壁層は、隣接する井戸層の１．５倍程度以上の膜厚を有していることが適しており、２倍程度以上の膜厚を有していることが好ましい。障壁層を井戸層よりも厚膜とすることにより、Ｉｎの混晶によって、さらに、Ｉｎの混晶比を高くすることによって発生し得る欠陥を補填することができ、良好な品質の井戸層、ひいては良質の活性層を得ることができる。
井戸層は、その組成及び／又は膜厚が変動していてもよいが、少なくとも組成又は膜厚の一方が、好ましくは組成及び膜厚の双方が一定であることが適している。井戸層の組成及び膜厚が一定であれば、活性層から出射される光の波長が安定し、波長半値幅、電流及び温度を変化することに伴う波長変化量が安定する、つまり波長変化量が低減されるとともに、常温出力に対する高温での相対出力が改善される。
障壁層は、少なくとも、ｐ側半導体層に最も近い側に配置された障壁層（以下、この障壁層を最終障壁層という）と、この最終障壁層に井戸層を介して隣接する１以上の障壁層とが、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜であることが適している。ここで「ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層」とは、障壁層のうち、活性層の全膜厚の中央よりもｎ側半導体層に近い方に配置された任意の障壁層を指す。従って、最終障壁層及びこの最終障壁層に井戸層を介して隣接する１以上の障壁層は、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層のいずれかと比較して厚膜であればよく、ｎ側半導体層に隣接する第１障壁層が存在する場合には、第１障壁層以外のｎ側半導体層側に配置する障壁層の全てに対して厚膜であることが好ましい。最終障壁層は、第１障壁層が存在する場合、第１障壁層に対しても厚膜であることが好ましい。
また、最終障壁層がｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜で、かつ最終障壁層に近い側に（つまり、ｐ側半導体層に近い側に、最終障壁層と井戸層を介して隣接して）配置する他の１以上の障壁層が、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜であれば、障壁層の数、つまり、単位周期数の数は、上述の範囲とすることができる。ここで「最終障壁層に近い側（又はｐ側半導体層に近い側）に配置する障壁層」とは、障壁層のうち、活性層の全膜厚の中央よりもｐ側半導体層側に近い方に配置された任意の障壁層を指す。この場合の他の障壁層は、最終障壁層と同等（例えば、±２０％厚）の膜厚であることが好ましい。
なお、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層よりも厚膜を有し、ｐ側半導体層に近い側に配置する他の１以上の障壁層は、最終障壁層を含む単位周期に隣接する１つの単位周期の障壁層であってもよく、最終障壁層を含む単位周期に順次隣接する複数の単位周期の障壁層であってもよい。あるいは、最終障壁層に井戸層を介して隣接する１つの障壁層であってもよく、最終障壁層に井戸層を介して順次隣接する複数の障壁層であってもよい。
例えば、図２に示すように、ｎ側半導体層２とｐ側半導体層４との間の活性層３において、第１障壁層３ｂから順次、井戸層３ａ及び障壁層３ｂｎ１〜３ｂｎ４、井戸層３ａ及び障壁層３ｂｐ２、井戸層３ａ及び障壁層３ｂｐ１（つまり最終障壁層３ｂｂ）と、単位周期が、単位周期ＵＮ１〜ＵＮ４及び単位周期ＵＰ２〜ＵＰ１の順に配置するように６周期繰り返し配置されている場合、ｐ側半導体層に近い側に配置する障壁層３ｂｐ１（例えば、最もｐ側半導体層に近い最終障壁層３ｂｂ）と、これを含む単位周期ＵＰ１に隣接する単位周期ＵＰ２における障壁層３ｂｐ２とが、同等の膜厚を有し、さらにこれら障壁層３ｂｐ１、３ｂｐ２が、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層３ｂｎ１よりも厚膜であることが好ましい。また、障壁層３ｂｐ１、３ｂｐ２が、さらに第１障壁層３ｂよりも厚膜であることがより好ましい。
ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期ＵＰにおける障壁層、例えば、図２における障壁層３ｂｐ１は、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期ＵＰにおける井戸層３ａの膜厚の１．５以上、さらに２倍以上の膜厚を有することが好ましい。
ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期ＵＰにおける障壁層、例えば、図２における障壁層３ｂｐ１は、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期ＵＰにおける井戸層３ａの膜厚の１．５以上、さらに２倍以上の膜厚を有することが好ましい。
また、別の観点から、単位周期のうちのｐ側半導体層に最も近い側に配置された単位周期と、この単位周期に隣接する１以上の単位周期との膜厚が、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期の膜厚よりも厚いことが適している。
つまり、図２において、最終障壁層３ｂｂを含む単位周期ＵＰ１の総膜厚が、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期のうちの任意の単位周期（例えば、ＵＮ１、ＵＮ２等）の総膜厚よりも厚いことが適している。なお、上述したように、活性層における井戸層は、通常、その組成及び／又は膜厚が一定であることが好ましいため、上述したように、ｐ側半導体層に近い側に配置する障壁層３ｂｐ１（例えば、最もｐ側半導体層に近い最終障壁層３ｂｂ）が、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層（例えば、３ｂｎ１、３ｂｎ２等）よりも厚膜であることが好ましい。言い換えると、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、ｎ側半導体層に近い側に配置された任意の単位周期における障壁層よりも厚膜であることが好ましい。
つまり、図２において、最終障壁層３ｂｂを含む単位周期ＵＰ１の総膜厚が、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期のうちの任意の単位周期（例えば、ＵＮ１、ＵＮ２等）の総膜厚よりも厚いことが適している。なお、上述したように、活性層における井戸層は、通常、その組成及び／又は膜厚が一定であることが好ましいため、上述したように、ｐ側半導体層に近い側に配置する障壁層３ｂｐ１（例えば、最もｐ側半導体層に近い最終障壁層３ｂｂ）が、ｎ側半導体層に近い側に配置する障壁層（例えば、３ｂｎ１、３ｂｎ２等）よりも厚膜であることが好ましい。言い換えると、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、ｎ側半導体層に近い側に配置された任意の単位周期における障壁層よりも厚膜であることが好ましい。
ｐ側半導体層側において、厚膜である障壁層の程度は、他の障壁層の膜厚の２００％程度以下であることが適しており、１５０％程度以下が好ましく、１２０％程度以下がより好ましい。また、他の障壁層の膜厚の数％程度厚膜であればよく、１０５％程度以上であることが好ましい。この範囲の厚膜化によって、活性層としての機能を十分に発揮できるとともに、直列抵抗成分が過大となることを抑制することができ、活性層の発光効率の低下を効果的に回避できる。特に、ｐ側半導体層側の障壁層の膜厚を厚膜化することによって、低波長側の光において、より顕著に発光効率を向上させることができる。
活性層は、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期を有しており、さらに、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期を有していることが適している。言い換えると、活性層は、ｎ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、この障壁層と同じ膜厚を有し、この障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層を有しており、さらに、ｐ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、この障壁層と同じ膜厚を有し、この障壁層と井戸層を介して隣接する複数の障壁層とを有していることが適している。
つまり、活性層は、その障壁層の厚みによって、少なくとも、２種類の膜厚の単位周期（又は２種類の膜厚の障壁層）群が配置されている。例えば、図２において、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期ＵＮ１を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期（例えば、ＵＮ２、ＵＮ３、ＵＮ４等）群と、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期ＵＰ１を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期（例えば、ＵＰ２等）群との２群が配置されている。
ここで、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数は、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数よりも多いことが好ましい。言い換えると、ｎ側半導体層に近い側の単位周期群の単位周期数が、ｐ側半導体層に近い側の単位周期群の単位周期数よりも多いことが好ましい。さらに言い換えると、ｎ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数が、ｐ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する障壁層の数よりも多いことが好ましい。ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期群又は障壁層群は、１．５倍程度以上、２倍程度以上又は３倍程度以上多いことがより好ましい。言い換えると、１以上、２以上、３以上、４以上、５以上多いことが好ましい。これによって、活性層としての機能を十分発揮させながら、直列抵抗成分を増加させることなく、有効に発光効率を向上させることができる。
また、別の観点から、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期（又は障壁層）を含む単位周期（又は障壁層）の合計数は、２〜１５程度が適しており、２〜１０程度が好ましく、２〜７程度がより好ましい。ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期（又は障壁層）を含む単位周期（又は障壁層）の合計数は、上述したｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期（又は障壁層）を含む単位周期（又は障壁層）の合計数よりも多く、かつ、３〜４５程度が適しており、３〜３０程度が好ましく、３〜１０程度がより好ましい。
上述した、ｎ側半導体層に隣接する第１障壁層及び／又はｐ側半導体層に隣接する最終障壁層は、省略してもよいが、双方とも配置させることが好ましい。
この場合、第１障壁層及び／又は最終障壁層は、上述した２種類の膜厚の単位周期群又は２種類の膜厚の障壁層群を構成する障壁層として配置してもよいし、各群を構成しない障壁層として配置していてもよい。各群を構成する障壁層として配置する場合には、これらの膜厚関係に従って適切な膜厚に調整することが好ましい。なかでも、最終障壁層は、群を構成する障壁層として配置することが好ましい。
この場合、第１障壁層及び／又は最終障壁層は、上述した２種類の膜厚の単位周期群又は２種類の膜厚の障壁層群を構成する障壁層として配置してもよいし、各群を構成しない障壁層として配置していてもよい。各群を構成する障壁層として配置する場合には、これらの膜厚関係に従って適切な膜厚に調整することが好ましい。なかでも、最終障壁層は、群を構成する障壁層として配置することが好ましい。
また、各群を構成しない障壁層として配置する場合には、その組成及び／又は膜厚を、群を構成する他の障壁層と異ならせてもよい。なかでも、第１障壁層は、群を構成しない障壁層として配置することが好ましい。この場合、第１障壁層は、例えば、ｎ型不純物を含有する半導体層又はノンドープの半導体層のいずれでもよく、単層構造又は積層構造のいずれでもよい。好ましくは、ｎ側半導体層に隣接してｎ型不純物を含有する半導体層とノンドープの半導体層とを積層した積層構造であることが好ましい。この場合の膜厚は、例えば、０．５〜７ｎｍ程度が適しており、ｎ型不純物層／ノンドープ層が０．３〜５ｎｍ程度／０．２〜２ｎｍ程度であることが好ましい。
特に、第１障壁層を配置すること、さらにｎ側半導体に近い他の障壁層よりも厚膜とすることにより、下層の結晶欠陥を補填することができ、より良質の井戸層、ひいては良質の活性層を積層することができる。
特に、第１障壁層を配置すること、さらにｎ側半導体に近い他の障壁層よりも厚膜とすることにより、下層の結晶欠陥を補填することができ、より良質の井戸層、ひいては良質の活性層を積層することができる。
活性層は、井戸層と障壁層との間に、これら井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層９を形成してもよい。キャップ層は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層に対して、ＡｌＧａＮ層によって形成することが好ましい。キャップ層の厚みは、例えば、井戸層に対して２０〜１５０％程度の膜厚であることが好ましい。キャップ層は、井戸層の上面に積層することによって、インジウムの分解を阻止して、発光効率を改善することができる。
活性層は、その障壁層の厚みによって、３種類以上の膜厚の単位周期（又は３種類以上の膜厚の障壁層）群が配置されていてもよい。この場合、例えば、上述した２種類の膜厚の単位周期群又は２種類の膜厚の障壁層群の間に、それらの間（例えば、中間）の又はそれらよりも厚いもしくは薄い、単位周期又は障壁層の膜厚を有する単位周期群又は障壁層群が配置されていてもよい。このように、異なる膜厚を有する単位周期又は障壁層を追加することにより、単位周期又は障壁層の数を増加させることができ、より抵抗成分の低減、順方向電圧Ｖｆの低減、発光効率の向上を実現することができる。
さらに、ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期又は障壁層から、ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期又は障壁層にわたって、段階的に又は徐々に膜厚が厚くなるように、これらの膜厚を変化させてもよい。
〔基板〕
基板１としては、Ｃ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ12Ｏ4）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
基板は、オフアングルを有していてもよい。オフアングルしたものを用いることにより、下地層を結晶性よく成長させることができ、良質のｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層を積層することができる。
基板１としては、Ｃ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ12Ｏ4）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
基板は、オフアングルを有していてもよい。オフアングルしたものを用いることにより、下地層を結晶性よく成長させることができ、良質のｎ側半導体層、活性層及びｐ側半導体層を積層することができる。
基板１上には、バッファ層が形成されていることが好ましい。
バッファ層としては、例えば、ＧａｄＡｌ１−ｄＮ（０＜ｄ≦１）からなる窒化物半導体が挙げられ、Ａｌ混晶比が０．３以下の層が好ましく、Ａｌ混晶比が０．２以下の層がより好ましい。Ａｌ混晶比が小さいほど結晶性の改善が顕著となる。より好ましくはＧａＮからなるバッファ層が挙げられる。また、バッファ層は最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。
バッファ層としては、例えば、ＧａｄＡｌ１−ｄＮ（０＜ｄ≦１）からなる窒化物半導体が挙げられ、Ａｌ混晶比が０．３以下の層が好ましく、Ａｌ混晶比が０．２以下の層がより好ましい。Ａｌ混晶比が小さいほど結晶性の改善が顕著となる。より好ましくはＧａＮからなるバッファ層が挙げられる。また、バッファ層は最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。
バッファ層を形成する場合、その膜厚は、０．００２〜０．５μｍ程度であることが好ましく、０．０５〜０．２μｍ程度、さらに０．０１〜０．０２μｍ程度であることが好ましい。この範囲とすることにより、窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり、バッファ層上に成長させる窒化物半導体の結晶性が改善される。バッファ層を成長させる場合の温度は、２００〜９００℃とすることが適しており、４００〜８００℃の範囲に調整することが好ましい。これにより、良好な多結晶を形成することができ、この多結晶を種結晶として、バッファ層上に成長させる半導体の結晶性を良好にすることができる。
バッファ層の上に、さらに、下地層となる半導体層が形成されていてもよい。
例えば、転位密度が１×１０７〜５×１０９ｃｍ−２である窒化物半導体層を備えていることが適している。この窒化物半導体層はＧａＮ層であることが好ましいが、Ａｌ１−ｘＧａｘＮ層（０＜ｘ＜１）としてもよい。この窒化物半導体層は、単一層でも、２層以上の積層構造であってもよい。窒化物半導体層は、積層構造として形成される場合、組成及び／又は成膜方法等の異なる層で有ることが好ましい。これによって、転位密度を低減することができるとともに、結晶性を向上させることができる。
例えば、転位密度が１×１０７〜５×１０９ｃｍ−２である窒化物半導体層を備えていることが適している。この窒化物半導体層はＧａＮ層であることが好ましいが、Ａｌ１−ｘＧａｘＮ層（０＜ｘ＜１）としてもよい。この窒化物半導体層は、単一層でも、２層以上の積層構造であってもよい。窒化物半導体層は、積層構造として形成される場合、組成及び／又は成膜方法等の異なる層で有ることが好ましい。これによって、転位密度を低減することができるとともに、結晶性を向上させることができる。
窒化物半導体層の厚みは、例えば、１μｍ程度以上であることが好ましく、２μｍ程度以上、３μｍ程度以上であることがより好ましく、１０μｍ程度以下であることが好ましく、５μｍ程度以下であることがより好ましい。
〔ｎ側半導体層〕
ｎ側半導体層は、基板１側から、通常、ｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層がこの順に積層されている。
ｎ側半導体層は、基板１側から、通常、ｎ型コンタクト層及びｎ型クラッド層がこの順に積層されている。
（ｎ型コンタクト層）
ｎ型コンタクト層としては、その組成は特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ又はＧａＮからなる層が好ましく、単一層からなる層がより好ましい。このような組成にすると、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。
ｎ型コンタクト層としては、その組成は特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ又はＧａＮからなる層が好ましく、単一層からなる層がより好ましい。このような組成にすると、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。
ｎ型コンタクト層の膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、１μｍ程度以上、好ましくは３μｍ程度以上とすることができる。
ｎ型コンタクト層は、ｎ型不純物を含有しており、その濃度は、窒化物半導体の結晶性を悪化しない程度に高いことが好ましい。例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０２１／ｃｍ３以下が挙げられる。
ｎ型コンタクト層は、ｎ型不純物を含有しており、その濃度は、窒化物半導体の結晶性を悪化しない程度に高いことが好ましい。例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０２１／ｃｍ３以下が挙げられる。
（ｎ型クラッド層）
ｎ型クラッド層は、単層構造でもよいが、組成の異なる少なくとも２種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、上述した式（Ａ）からなる層であってもよい。特に、ｎ型クラッド層は、超格子多層膜によって形成されていることが好ましく、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）（第１層）とＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）（第２層）との２種類の組成からなる層が交互に積層された超格子層がより好ましい。第１層及び第２層は、いずれが最下層及び／又は最上層であってもよい。ただし、必ずしも第１層同士、第２層同士、第１層及び第２層の全ての層の組成が同じでなくもよく、部分的に、傾斜的に、段階的に又は交互にその組成が変化してもよい。なかでも、第１層同士及び第２層同士が、同じ組成の層であることが好ましい。
ｎ型クラッド層は、単層構造でもよいが、組成の異なる少なくとも２種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、上述した式（Ａ）からなる層であってもよい。特に、ｎ型クラッド層は、超格子多層膜によって形成されていることが好ましく、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）（第１層）とＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）（第２層）との２種類の組成からなる層が交互に積層された超格子層がより好ましい。第１層及び第２層は、いずれが最下層及び／又は最上層であってもよい。ただし、必ずしも第１層同士、第２層同士、第１層及び第２層の全ての層の組成が同じでなくもよく、部分的に、傾斜的に、段階的に又は交互にその組成が変化してもよい。なかでも、第１層同士及び第２層同士が、同じ組成の層であることが好ましい。
第１層は、ｚが小さいほど、つまりアルミニウム含量が小さいほど、結晶性が良好になるため、ｚ＝０であるＧａＮからなる層が好ましい。
第２層は、ｐが０．５以下の層が好ましく、ｐが０．２以下の層がより好ましい。
なかでも、ｎ型クラッド層としては、第１層がＧａＮであり、第２層においてｐが０．２以下のＩｎｐＧａ１−ｐＮである超格子多層膜が好ましい。
第２層は、ｐが０．５以下の層が好ましく、ｐが０．２以下の層がより好ましい。
なかでも、ｎ型クラッド層としては、第１層がＧａＮであり、第２層においてｐが０．２以下のＩｎｐＧａ１−ｐＮである超格子多層膜が好ましい。
この場合の組成の異なる層（好ましくは上述した第１層及び第２層）は、例えば、それぞれ１０層以上積層した、合計２０層以上の積層膜であることが適しており、それぞれ２０層以上（合計で４０層以上）の積層膜であることが好ましい。第１層と第２層との積層数の上限は特に限定されないが、例えば、５００層以下が適しており、２００層以下、１００層以下が好ましい。このようなｎ型クラッド層を配置することにより、Ｖｆの効果的な低下を実現することができる。
ｎ型クラッド層を構成する層の膜厚は特に限定されないが、総膜厚が、５０ｎｍ程度以上とすることが適しており、６５ｎｍ程度以上が好ましく、７５ｎｍ程度以上、８０ｎｍ程度以上がより好ましく、さらに、９０ｎｍ程度以上がより一層好ましい。総膜厚の上限は特に限定されないが、製造効率と特性の向上とを考慮して、５００ｎｍ程度以下が挙げられ、４００ｎｍ程度以下が好ましい。総膜厚をこの範囲とすることにより、結晶性が良好となり、素子の出力を向上させることができる。
ｎ型クラッド層は、その全ての層にｎ型不純物が含有されていなくてもよく、少なくとも１層にｎ型不純物が含有されていればよい。例えば、上述した第１層及び第２層のいずれか一方のみにｎ型不純物が含有されていなくてもよいし、全ての層にｎ型不純物が含有されていてもよい。この場合、不純物の種類及び濃度は、いずれも、全ての層において同一でなくてもよく、互いに又は少なくとも１層が異なっていてもよい。例えば、上述した第１層及び第２層の双方にｎ型不純物がドープされ、隣接する窒化物半導体層同士で濃度が異なる変調ドープを採用することにより、光出力をより向上させることができる傾向がある。
不純物濃度は、５×１０１６／ｃｍ３以上、３×１０１８／ｃｍ３以上が挙げられ、５×１０１８／ｃｍ３以上が好ましい。ｎ型不純物濃度の上限は特に限定されないが、結晶性が悪くなりすぎない程度、例えば、５×１０２１／ｃｍ３以下又は１×１０２０／ｃｍ３以下が好ましい。このような不純物濃度とすることにより、よりＶｆを低下させることができる。
ｎ型クラッド層の成膜方法は、特に限定されず、公知の成膜方法、例えば、ＭＯＶＰＥ、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等のいずれを利用してもよい。成膜温度は、特に限定されないが、好ましくは８５０℃以上、より好ましくは９００℃以上である。これにより、より結晶性を良好とすることができる。
〔ｐ側半導体層〕
ｐ側半導体層は、例えば、活性層側から順に、ｐ側クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むことが好ましい。
ｐ側半導体層は、例えば、活性層側から順に、ｐ側クラッド層及びｐ型コンタクト層を含むことが好ましい。
（ｐ側クラッド層）
ｐ側クラッド層としては、ｐ型不純物を含有する、上述した式（Ａ）からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも２層の積層層又は超格子多層膜が挙げられる。なかでも、ＡｌbＧａ1-b Ｎ（０≦ｂ≦１）からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも２層の半導体層の積層層が好ましい。
ｐ側クラッド層は、ｐ型不純物濃度が、例えば、１×１０２２／ｃｍ３程度以下が好ましく、５×１０２０／ｃｍ３程度以下がより好ましい。ｐ型不純物濃度の下限は特に限定されないが、５×１０１６／ｃｍ３程度以上が適している。
積層層又は超格子多層膜においては、全ての層にｐ型不純物が含有されていなくてもよい。また、各層又は一部の層においてｐ型不純物濃度が異なっていてもよいし、同じでもよい。
ｐ側クラッド層としては、ｐ型不純物を含有する、上述した式（Ａ）からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも２層の積層層又は超格子多層膜が挙げられる。なかでも、ＡｌbＧａ1-b Ｎ（０≦ｂ≦１）からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも２層の半導体層の積層層が好ましい。
ｐ側クラッド層は、ｐ型不純物濃度が、例えば、１×１０２２／ｃｍ３程度以下が好ましく、５×１０２０／ｃｍ３程度以下がより好ましい。ｐ型不純物濃度の下限は特に限定されないが、５×１０１６／ｃｍ３程度以上が適している。
積層層又は超格子多層膜においては、全ての層にｐ型不純物が含有されていなくてもよい。また、各層又は一部の層においてｐ型不純物濃度が異なっていてもよいし、同じでもよい。
ｐ側クラッド層の膜厚は特に限定されるものではなく、１０ｎｍ程度以上が挙げられる。また、積層層又は超格子多層膜では、単一の窒化物半導体層の膜厚を、１０ｎｍ程度以下とすることが好ましく、７ｎｍ程度以下、５ｎｍ程度以下とすることがより好ましい。薄膜で形成することにより、多層膜層が超格子構造となり、多層膜層の結晶性を向上させることができる。その結果、ｐ型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さい層が得られ、素子のＶｆ及びしきい値等が低下し易い傾向がある。これによって、低消費電力で良好な発光出力を得ることができる。
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層は、例えば、上述した式（Ａ）で表される窒化物半導体からなる層が挙げられ、なかでも、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮからなる層が好ましく、ＧａＮからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
ｐ型コンタクト層は、例えば、上述した式（Ａ）で表される窒化物半導体からなる層が挙げられ、なかでも、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮからなる層が好ましく、ＧａＮからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
ｐ型コンタクト層１０の膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、５０ｎｍ程度以上であることが好ましく、６０ｎｍ程度以上であることがより好ましい。
不純物濃度は、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０２１／ｃｍ３以下が挙げられる。
不純物濃度は、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０２１／ｃｍ３以下が挙げられる。
〔電極〕
本発明の半導体発光素子において用いられる全面電極、ｐ電極及びｎ電極は、その単一層の組成、積層構造の組成及び積層順序、膜厚等、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
特に、全面電極は、光の取出効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物（ＩＴＯ等）等が挙げられる。
本発明の半導体発光素子において用いられる全面電極、ｐ電極及びｎ電極は、その単一層の組成、積層構造の組成及び積層順序、膜厚等、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
特に、全面電極は、光の取出効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物（ＩＴＯ等）等が挙げられる。
〔保護膜〕
保護膜としては、特にその材料及び膜厚は限定されないが、例えば、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等からなる単層膜又は多層膜等が挙げられる。その膜厚は適宜調整することが好ましい。
保護膜としては、特にその材料及び膜厚は限定されないが、例えば、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等からなる単層膜又は多層膜等が挙げられる。その膜厚は適宜調整することが好ましい。
以下に、本発明の半導体発光素子の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１ａ及び１ｂ
この実施例の半導体発光素子は、図１に示すように、サファイアからなる基板１上に、
アンドープＡｌＧａＮからなるバッファ層（膜厚：約１５ｎｍ）、
アンドープＧａＮからなる中間層（膜厚：約３．５μｍ）、
Ｓｉを９×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層（膜厚：４．２μｍ）、
Ｓｉを２.５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮ層ｒ（膜厚：４ｎｍ）を積層した上に、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層ｑ（膜厚：２ｎｍ）、Ｓｉを２.５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮ層ｒ（膜厚：４ｎｍ）がこの順で、ＧａＮ層ｑとＧａＮ層ｒの積層を繰り返した合計１２１層の超格子構造からなるｎ側クラッド層（膜厚：３６４ｎｍ）、
活性層（膜厚：膜厚約７５ｎｍ）、
Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ側クラッド層（膜厚：約２５ｎｍ）及び
アンドープＧａＮからなる層（膜厚：約５０ｎｍ）、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮからなる層（膜厚：約５０ｎｍ）及びＭｇを５×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮからなる層（膜厚：約１５ｎｍ）が順に積層されたｐ型コンタクト層がこの順に積層されて構成されている。
実施例１ａ及び１ｂ
この実施例の半導体発光素子は、図１に示すように、サファイアからなる基板１上に、
アンドープＡｌＧａＮからなるバッファ層（膜厚：約１５ｎｍ）、
アンドープＧａＮからなる中間層（膜厚：約３．５μｍ）、
Ｓｉを９×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層（膜厚：４．２μｍ）、
Ｓｉを２.５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮ層ｒ（膜厚：４ｎｍ）を積層した上に、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層ｑ（膜厚：２ｎｍ）、Ｓｉを２.５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮ層ｒ（膜厚：４ｎｍ）がこの順で、ＧａＮ層ｑとＧａＮ層ｒの積層を繰り返した合計１２１層の超格子構造からなるｎ側クラッド層（膜厚：３６４ｎｍ）、
活性層（膜厚：膜厚約７５ｎｍ）、
Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ側クラッド層（膜厚：約２５ｎｍ）及び
アンドープＧａＮからなる層（膜厚：約５０ｎｍ）、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮからなる層（膜厚：約５０ｎｍ）及びＭｇを５×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮからなる層（膜厚：約１５ｎｍ）が順に積層されたｐ型コンタクト層がこの順に積層されて構成されている。
上記積層構造における活性層は、
第１障壁層：Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる層（膜厚：約４ｎｍ）、アンドープＧａＮからなる層（膜厚：約３．５ｎｍ）の積層構造と、
この第１障壁層の上の、
アンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎからなる井戸層ｇ（膜厚：約３．３ｎｍ）及びアンドープＧａＮからなる障壁層ｈ（膜厚：約５．０ｎｍ）の単位周期を６周期の積層構造と、この積層構造の上の、
アンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎからなる井戸層ｗ（膜厚：約３．３ｎｍ）及びアンドープＧａＮからなる障壁層ｔ（膜厚：約５．２５ｎｍ）の単位周期を３周期の積層構造とから構成される多重量子井戸構造を有する。
第１障壁層：Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる層（膜厚：約４ｎｍ）、アンドープＧａＮからなる層（膜厚：約３．５ｎｍ）の積層構造と、
この第１障壁層の上の、
アンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎからなる井戸層ｇ（膜厚：約３．３ｎｍ）及びアンドープＧａＮからなる障壁層ｈ（膜厚：約５．０ｎｍ）の単位周期を６周期の積層構造と、この積層構造の上の、
アンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎからなる井戸層ｗ（膜厚：約３．３ｎｍ）及びアンドープＧａＮからなる障壁層ｔ（膜厚：約５．２５ｎｍ）の単位周期を３周期の積層構造とから構成される多重量子井戸構造を有する。
そして、一部のｐ側半導体層、活性層及びｎ側半導体層が除去されて、ｎ型コンタクト層の表面が露出されている。
ｐ型コンタクト層上のほぼ全面には、ＩＴＯからなる透光性の全面電極６と、その上に形成されたＴi、Ｒｈ及びＡｕを含むｐ電極７が形成されており、露出したｎ型コンタクト層上の表面にはｐ電極と同じ積層材料からなるｎ電極８が形成されている。
ｐ型コンタクト層上のほぼ全面には、ＩＴＯからなる透光性の全面電極６と、その上に形成されたＴi、Ｒｈ及びＡｕを含むｐ電極７が形成されており、露出したｎ型コンタクト層上の表面にはｐ電極と同じ積層材料からなるｎ電極８が形成されている。
このような半導体発光素子１０は、以下の方法によって製造することができる。
（基板）
サファイア（Ｃ面）からなる基板１をＭＯＣＶＤの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を９００℃〜１２００℃程度まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
（基板）
サファイア（Ｃ面）からなる基板１をＭＯＣＶＤの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を９００℃〜１２００℃程度まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
（バッファ層）
続いて、温度を５００℃程度にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用い、基板上にアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるバッファ層を約１．５μｍの膜厚で成長させる。
続いて、温度を５００℃程度にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用い、基板上にアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるバッファ層を約１．５μｍの膜厚で成長させる。
（中間層）
続いて、温度を８００℃程度にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、バッファ層上にアンドープＧａＮからなる中間層を約３．５μｍの膜厚で成長させる。
続いて、温度を８００℃程度にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、バッファ層上にアンドープＧａＮからなる中間層を約３．５μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型コンタクト層）
次に、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層を約４μｍの膜厚で成長させる。
次に、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層を約４μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型クラッド層）
続いて、温度８００℃〜１０００℃程度で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、ＳｉをドープしたＧａＮ層（膜厚：４ｎｍ）を積層した上に、ノンドープのＧａＮ層（膜厚：２ｎｍ）を積層する。
続いて、温度８００℃〜１０００℃程度で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、ＳｉをドープしたＧａＮ層（膜厚：４ｎｍ）を積層した上に、ノンドープのＧａＮ層（膜厚：２ｎｍ）を積層する。
（活性層）
次に、障壁層として、Ｓｉを含むＧａＮよりなる層を約４ｎｍ成長させ、アンドープＧａＮよりなる層を約３．５ｎｍの膜厚で成長させる。
その後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎよりなる井戸層を約３．３ｎｍ及びアンドープＧａＮよりなる障壁層を約４．４ｎｍの膜厚でそれぞれ６層交互に積層して、さらに、アンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎよりなる井戸層を約３．３ｎｍ及びアンドープＧａＮよりなる障壁層を約５．２５（１．０５倍厚膜）ｎｍの膜厚でそれぞれ３層（つまり、７層目〜９層目）交互に積層して、井戸層及び障壁層の単位周期が９周期（総膜厚：約７５ｎｍ）の多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
次に、障壁層として、Ｓｉを含むＧａＮよりなる層を約４ｎｍ成長させ、アンドープＧａＮよりなる層を約３．５ｎｍの膜厚で成長させる。
その後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎよりなる井戸層を約３．３ｎｍ及びアンドープＧａＮよりなる障壁層を約４．４ｎｍの膜厚でそれぞれ６層交互に積層して、さらに、アンドープＩｎ０．２Ｇａ0.８Ｎよりなる井戸層を約３．３ｎｍ及びアンドープＧａＮよりなる障壁層を約５．２５（１．０５倍厚膜）ｎｍの膜厚でそれぞれ３層（つまり、７層目〜９層目）交互に積層して、井戸層及び障壁層の単位周期が９周期（総膜厚：約７５ｎｍ）の多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
（ｐ型クラッド層）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ側クラッド層を約１５ｎｍの膜厚で成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ側クラッド層を約１５ｎｍの膜厚で成長させる。
（ｐ型コンタクト層）
続いて、温度９００℃〜１０００℃程度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮからなる層を約５０ｎｍの膜厚で成長させ、この上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなる層を約５０ｎｍの膜厚で、さらにその上にＭｇドープｐ型ＧａＮからなる層を約１５ｎｍの膜厚で成長させる。
続いて、温度９００℃〜１０００℃程度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮからなる層を約５０ｎｍの膜厚で成長させ、この上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなる層を約５０ｎｍの膜厚で、さらにその上にＭｇドープｐ型ＧａＮからなる層を約１５ｎｍの膜厚で成長させる。
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウエハを反応容器内において、３００℃〜７００℃でアニールし、ｐ側層をさらに低抵抗化する。
その後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側からエッチングを行い、ｎ型コンタクト層の表面を露出させる。
その後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側からエッチングを行い、ｎ型コンタクト層の表面を露出させる。
続いて、最上層にあるｐ型コンタクト層のほぼ全面にＩＴＯよりなる透光性の全面電極を形成する。
全面電極上ｐエッチングにより露出させたｎ型コンタクト層の上に、Ｔi、Ｒｈ、Ａｕを含む積層膜を成膜し、パターニングすることにより、ｐ電極及びｎ電極をそれぞれ形成する。
全面電極上ｐエッチングにより露出させたｎ型コンタクト層の上に、Ｔi、Ｒｈ、Ａｕを含む積層膜を成膜し、パターニングすることにより、ｐ電極及びｎ電極をそれぞれ形成する。
得られた積層構造を各チップに切断し、例えば、出力波長が４４０〜４８０ｎｍの半導体発光素子を得た。
また、上記実施例１ａにおいて、障壁層の厚膜を、１．０５倍の厚膜（５．２５ｎｍ）に代えて、１．１倍の厚膜（５．５ｎｍ）とした以外、同様の構造の半導体発光素子を作製した（実施例１ｂ）。
また、上記実施例１ａにおいて、障壁層の厚膜を、１．０５倍の厚膜（５．２５ｎｍ）に代えて、１．１倍の厚膜（５．５ｎｍ）とした以外、同様の構造の半導体発光素子を作製した（実施例１ｂ）。
実施例２ａ及び２ｂ
活性層において、障壁層の膜厚を、５〜９層目において１．０５倍（実施例２ａ）及び１．１倍（実施例２ｂ）の厚膜として、井戸層及び障壁層を９周期（層膜厚：７６ｎｍ及び７７ｎｍ）積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
活性層において、障壁層の膜厚を、５〜９層目において１．０５倍（実施例２ａ）及び１．１倍（実施例２ｂ）の厚膜として、井戸層及び障壁層を９周期（層膜厚：７６ｎｍ及び７７ｎｍ）積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
実施例３ａ及び３ｂ
活性層において、障壁層の膜厚を、３〜９層目において１．０５倍（実施例３ａ）及び１．１倍（実施例３ｂ）の厚膜として、井戸層及び障壁層を９周期（層膜厚：７６．５ｎｍ及び７８ｎｍ）積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
活性層において、障壁層の膜厚を、３〜９層目において１．０５倍（実施例３ａ）及び１．１倍（実施例３ｂ）の厚膜として、井戸層及び障壁層を９周期（層膜厚：７６．５ｎｍ及び７８ｎｍ）積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
比較例１
活性層において障壁層の膜厚を変化させることなく、井戸層及び障壁層を９周期（層膜厚：７５ｎｍ）積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
活性層において障壁層の膜厚を変化させることなく、井戸層及び障壁層を９周期（層膜厚：７５ｎｍ）積層した以外、同様の構造の半導体発光素子を得た。
〔半導体発光素子の評価〕
上記実施例１ａ〜３ｂ及び比較例１で得られた半導体発光素子について、順方向電圧と出力とを測定した。評価は５００×２９０μｍサイズのチップに順方向電流２０ｍＡをパルスで印加した状態で行った。
その結果を図３に示す。図３において、白棒は障壁層の厚みが１．０５倍厚膜、斜線は障壁層の厚みが１．１倍厚膜の活性層を備える発光素子の出力を示す。比較例の発光素子の出力を基準として、実施例１ａ〜実施例３ｂのいずれも、０．２〜０．５ｍＶ程度の増加が認められた。
また、これらの実施例の全てにおいて、比較例のＶｆに対して、同等以下のＶｆが測定された。
このような結果から、Ｖｆの低下及び出力の向上のバランスを図り、より高い発光効率を実現することができる。
上記実施例１ａ〜３ｂ及び比較例１で得られた半導体発光素子について、順方向電圧と出力とを測定した。評価は５００×２９０μｍサイズのチップに順方向電流２０ｍＡをパルスで印加した状態で行った。
その結果を図３に示す。図３において、白棒は障壁層の厚みが１．０５倍厚膜、斜線は障壁層の厚みが１．１倍厚膜の活性層を備える発光素子の出力を示す。比較例の発光素子の出力を基準として、実施例１ａ〜実施例３ｂのいずれも、０．２〜０．５ｍＶ程度の増加が認められた。
また、これらの実施例の全てにおいて、比較例のＶｆに対して、同等以下のＶｆが測定された。
このような結果から、Ｖｆの低下及び出力の向上のバランスを図り、より高い発光効率を実現することができる。
本発明の半導体発光素子は、例えば、高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤ等として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源に利用することができる。
Claims (7)
- 基板上に、ｎ側半導体層、インジウムを含有する活性層及びｐ側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、複数の障壁層とこれら障壁層に隣接する複数の井戸層とを含んで構成された多重量子井戸構造であって、
前記ｎ側半導体層に近い側に配置された障壁層と、該障壁層と前記井戸層を介して隣接し、かつ該障壁層と同じ膜厚を有する複数の障壁層と、
前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された最終障壁層と、該最終障壁層と前記井戸層を介して隣接し、かつ該最終障壁層と同じ膜厚を有する複数の障壁層と、を有し、
前記最終障壁層が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された障壁層よりも厚膜であり、
前記ｎ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する複数の障壁層の数が、前記ｐ側半導体層に近い側に配置され、互いに同じ膜厚を有する複数の障壁層の数よりも多いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板上に、ｎ側半導体層、インジウムを含有する活性層及びｐ側半導体層がこの順に積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、障壁層と該障壁層に隣接する井戸層とからなる複数の単位周期を含んで構成された多重量子井戸構造であって、
前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、
前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された単位周期を含み、互いに同じ膜厚を有して隣接する複数の単位周期と、を有し、
前記単位周期のうちの前記ｐ側半導体層に最も近い側に配置された単位周期と、該単位周期に隣接する１以上の単位周期との膜厚が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期の膜厚よりも厚膜であり、
前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数が、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期を含む単位周期の合計数よりも多いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層が、前記ｎ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層よりも厚膜である請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における障壁層は、前記ｐ側半導体層に近い側に配置された単位周期における井戸層の膜厚の１．５倍以上の膜厚を有する請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記最終障壁層は、前記井戸層の膜厚の１．５倍以上の膜厚を有する請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記井戸層は、アンドープＩｎＧａＮからなり、
前記障壁層は、アンドープＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ又は前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いアンドープＩｎＧａＮからなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記井戸層と障壁層との間に、該井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
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