WO2011111606A1 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

窒化物系半導体発光素子 Download PDF

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barrier layer
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nitride
barrier
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靖長 小谷
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日亜化学工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light-emitting element mainly using a nitride-based semiconductor (for example, general formula In X Al Y Ga 1-XY N, 0 ⁇ X, 0 ⁇ Y, X + Y ⁇ 1), and a light-emitting device using the same It relates to the manufacturing method.
  • a nitride-based semiconductor for example, general formula In X Al Y Ga 1-XY N, 0 ⁇ X, 0 ⁇ Y, X + Y ⁇ 1
  • LEDs Light emitting diodes
  • LDs semiconductor lasers
  • GaN semiconductor light emitting devices using nitride-based materials
  • a method for manufacturing these semiconductor light emitting devices it is known to grow GaN on a heterogeneous substrate.
  • a low temperature buffer layer is grown on the upper surface, and then a GaN layer is grown at a high temperature.
  • the purpose of growing the GaN layer is to flatten the surface of the substrate and to eliminate through pits from different substrates.
  • an n-contact layer is grown as a layer doped with an n-type impurity serving as an ohmic junction surface with the n-type ohmic electrode.
  • a superlattice layer serving as an underlayer of the active layer is laminated and connected to the active layer.
  • the thickness of the well layer and the number of active layers are increased (for example, Patent Documents 1 to 5).
  • Patent Document 1 among the barrier layer and the well layer constituting the semiconductor quantum well structure of the active layer, light of different wavelengths can be emitted by changing the film thickness of the well layer, and the barrier layer and the well layer The number of pairs is increased on the p-side semiconductor layer side than on the n-side semiconductor layer side.
  • Patent Document 2 the hole injection efficiency is improved by reducing the doping amount of the p-type impurity in the p-type semiconductor layer close to the active layer or non-doping and making the barrier layer closest to the p-type semiconductor layer thin. Yes.
  • the dislocations and defects once generated cannot be easily reduced, and dislocations and defects tend to increase further by increasing the thickness of the well layer in the active layer or increasing the number of stacked layers.
  • a light emitting layer with many dislocations and crystal defects cannot be obtained and high light emission efficiency cannot be obtained.
  • the result is that the series resistance component is simply increased, leading to a problem that the forward voltage Vf is increased and high efficiency is prevented.
  • a main object of the present invention is to provide a light-emitting element that is further improved in efficiency by suppressing a decrease in light-emitting efficiency due to dislocations and crystal defects and reducing a series resistance component.
  • a nitride-based semiconductor light emitting device including a substrate and an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer stacked on the substrate with an active region interposed therebetween.
  • the active region is provided on the side closest to the p-type semiconductor layer, having a thickness larger than that of the barrier layer constituting the multiple quantum well structure and the barrier layer.
  • the barrier layers constituting the multiple quantum well structure the average thickness of the two barrier layers adjacent to the final barrier layer is thinner than the average thickness of the other barrier layers. can do. Thereby, the resistance on the p-type semiconductor layer side can be reduced, the forward voltage can be lowered, and a highly efficient nitride-based semiconductor light-emitting device can be obtained.
  • the semiconductor light-emitting device of the present invention is a nitride-based semiconductor light-emitting device having a substrate and an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer stacked on the substrate with an active region interposed therebetween, wherein the active region Includes a barrier layer constituting a multiple quantum well structure, the barrier layer being provided on the p-type semiconductor layer side of the first barrier layer and the first barrier layer, and the film of the first barrier layer A second barrier layer having a thickness smaller than the thickness, and the total number of the first barrier layers can be larger than the total number of the second barrier layers.
  • the active region includes a final barrier layer provided on the side closest to the p-type semiconductor layer, and the film thickness of the final barrier layer is the thickness of each of the first barrier layer and the second barrier layer. Can be thicker. Thereby, crystal defects generated in the barrier layer can be embedded efficiently, and high reliability as a semiconductor element can be obtained.
  • the thickness of the barrier layer included in the active region the thickness of the barrier layer located on the p-type semiconductor layer side except for the final barrier layer is located on the n-type semiconductor layer side.
  • the barrier layer can be formed thinner than the film thickness. As a result, the efficiency can be increased by changing the thickness of the barrier layer to reduce the resistance component.
  • the first barrier layer is repeatedly laminated with a plurality of periods as one period between the first barrier layer and the well layer having a different composition, and the film thickness of the first barrier layer is equal to that of the well layer. It can be made twice or more the film thickness. Thereby, the crystallinity on the side of the n-type semiconductor layer having high emission recombination efficiency can be improved, and the emission efficiency can be further improved.
  • the barrier layer is formed by repeatedly laminating a plurality of periods as one period between the barrier layer and the well layer having a different composition
  • the well layer is made of InGaN
  • the barrier layer is GaN, or It can be composed of InGaN or AlGaN having a lower In crystal ratio than the well layer.
  • a cap layer having a composition different from that of the well layer 1 and the barrier layer 1 can be provided between the well layer and the barrier layer constituting one cycle of the active region.
  • the cap layer can be composed of an AlGaN layer.
  • a p-type semiconductor layer may be laminated on the barrier layer having the thinnest film thickness among the barrier layers in the active region.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an element structure of a light-emitting device using a nitride-based semiconductor light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor structure of the nitride-based semiconductor light-emitting element in FIG. 1. It is a schematic cross section which shows the example of a barrier layer. It is a schematic diagram which shows a mode that an electron and a hole move in the active region of the multiple quantum well structure comprised by the well layer and the barrier layer. It is a schematic cross section which shows the structure which divided
  • each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.
  • the contents described in some examples and embodiments may be used in other examples and embodiments.
  • the term “upper” as used on the layer or the like is not necessarily limited to the case where the upper surface is formed in contact with the upper surface, but includes the case where the upper surface is formed apart. It is used to include the case where there is an intervening layer between them. (Embodiment 1)
  • FIG. 1 schematically shows a nitride-based semiconductor light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention, specifically an element structure of a light-emitting device.
  • a light emitting device 100 in FIG. 1 is a nitride-based semiconductor light emitting device having a substrate 4 and a semiconductor structure 10 stacked on the substrate 4.
  • the semiconductor structure 10 includes an n-type semiconductor layer 11 and a p-type semiconductor layer 12 stacked with an active region 13 interposed therebetween. That is, the light emitting element 100 is configured by stacking the n-type semiconductor layer 11, the active region 13, and the p-type semiconductor layer 12 in this order on the substrate 4.
  • an n-type electrode 21 is formed on the n-type semiconductor layer 11 exposed by removing a part of the p-type semiconductor layer 12, and a p-type electrode is formed on the main surface of the p-type semiconductor layer 13. 22.
  • a p-type electrode 21 and the p-type electrode 22 When power is supplied to the n-type semiconductor layer 11 and the p-type semiconductor layer 12 via the n-type electrode 21 and the p-type electrode 22, light is emitted from the active region 13 and positioned above the semiconductor structure 10. The light is mainly extracted from the p-type semiconductor layer 12 side as the main light emitting surface side, that is, from above in FIG.
  • the active region 13 has a barrier layer 2 constituting a multiple quantum well structure.
  • the active region 13 in FIG. 1 has a multiple quantum well structure in which a plurality of layers including the well layer 1 and the barrier layer 2 having a composition different from that of the well layer 1 are repeated as a cycle.
  • the barrier layer 2 includes a plurality of first barrier layers 1312 and a plurality of first barrier layers 1312 which are provided closer to the p-type semiconductor layer 12 than the first barrier layers 1312 and have a thickness smaller than that of the first barrier layers 1312.
  • the second barrier layer 1322 is at least included, and the total number of the first barrier layers 1312 is larger than the total number of the second barrier layers 1322.
  • the active region 13 constitutes a first active region 131 and a second active region 132 corresponding to the first barrier layer 1312 and the second barrier layer 1322, respectively.
  • a first structure of a multiple quantum well structure in which a plurality of periods including a first well layer 1311 and a first barrier layer 1312 having a composition different from that of the first well layer are stacked as one period.
  • a second layer having a multiple quantum well structure in which a plurality of layers including a second barrier layer 1322 having a composition substantially equal to that of the barrier layer 1312 and having a thickness smaller than that of the first barrier layer 1312 are stacked.
  • Active region 132 The number of one-cycle repetitions of the first active region is greater than the number of one-cycle repetitions of the second active region.
  • the semiconductor structure 10 is formed by laminating an active region 13 and a p-type semiconductor layer 12 on an n-type semiconductor layer 11. Further, in the active region 13, a first active region 131, a second active region 132, and a final barrier layer 15 are sequentially stacked from the n-type semiconductor layer 11 side to the p-type semiconductor layer 12 side. That is, the final barrier layer 15 is interposed between the multiple quantum well structure and the p-type semiconductor layer 12 and is located on the side closest to the p-type semiconductor layer 12. The film thickness of the final barrier layer 15 is larger than the film thicknesses of the other barrier layers, that is, the first barrier layer 1312 and the second barrier layer 1322. (First active region 131 and second active region 132)
  • Each of the first active region 131 and the second active region 132 has a multiple quantum well structure in which a plurality of periods are stacked with a pair including the well layers 1311 and 1321 and the barrier layers 1312 and 1322 as one period. It is said.
  • the first active region 131 of FIG. 2 four pairs p1-1, p1-2, p1-3, and p1-4 each composed of a first well layer 1311 and a first barrier layer 1312 are stacked.
  • a second active region 132 is disposed on the first active region 131.
  • the second active region 132 is composed of a pair p2-1 and p2-2 composed of a second well layer 1321 and a second barrier layer 1322, and is formed by repeating two cycles in the example of FIG.
  • the pairs p1-1, p1-2, p1-3, and p1-4 constituting the first active region 131 have substantially the same thickness, and the thicknesses of the first well layers 1311 constituting each pair are also the same.
  • the thicknesses of the barrier layers 1312 are also substantially equal.
  • the pairs p2-1 and p2-2 constituting the second active region 132 have the same thickness, and the second well layers 1321 and the second barrier layers 1322 have substantially the same thickness.
  • the side close to the n-type semiconductor layer 11 is a first well layer 1311 and a first barrier layer 1312 is stacked on the well layer 1311 to form a pair.
  • the layer adjacent to the semiconductor layer 11 side is not limited to the well layer, and may be a barrier layer. (Well layer and barrier layer)
  • the well layer is a semiconductor layer containing indium in its composition, and is preferably an InGaN layer.
  • the barrier layer is a semiconductor layer having a composition different from that of the well layer, such as a GaN layer, an InGaN layer having a lower mixed crystal ratio than the well layer, an AlGaN layer, or the like.
  • the layer does not contain. Preferably, it is a GaN layer.
  • each second well layer 1321 in the second active region 132 is made equal to the film thickness of each first well layer 1311 in the first active region 131.
  • a light-emitting element in which the thickness of each well layer included in the active region is made substantially equal can increase the efficiency by changing the thickness of the barrier layer while keeping the wavelength and color purity of the output light constant.
  • the thickness of the second barrier layer 1322 of the second active region 132 facing the p-type semiconductor layer 12 side is set to be larger than that of the first barrier layer 1312 of the first active region 131 facing the n-type semiconductor layer 11 side. It is thin.
  • the thickness of the barrier layer located on the p-type semiconductor layer 12 side except the final barrier layer 15 among the thickness of the barrier layer included in the active region 13 is the barrier located on the n-type semiconductor layer 11 side. It is formed thinner than the thickness of the layer. Furthermore, the average film thickness of the two barrier layers 1322 adjacent to the final barrier layer 15 among the barrier layers 2 constituting the multiple quantum well structure is smaller than the average film thickness of the other barrier layers 1312. Therefore, since the first barrier layer 1312 is thicker than the second barrier layer 1322, each pair p1-1,... Constituting the first active region 131 is equivalent to each pair p2-1 constituting the second active region 132. ..,...
  • the film thickness is thinner than the average film thickness of other barrier layers included in the multiple quantum well structure.
  • the barrier layer has the effect of compensating for crystal defects generated in the well layer in addition to exerting the quantum well effect.
  • crystal defects and dislocations increase as the In mixed crystal ratio increases.
  • the emission wavelength is long, such as green
  • the crystallinity deteriorates and the number of defects increases. This becomes worse as the layer growth is repeated, that is, toward the p-type semiconductor layer side (upper in FIG. 3 and right in FIG. 4).
  • the present inventor has reduced the forward voltage by reducing the barrier layer on the p-type semiconductor layer 12 side while maintaining the thickness of the barrier layer on the n-type semiconductor layer 11 side. Has succeeded in lowering.
  • the thickness of the barrier layer is preferably such that the thickness of the first barrier layer 1312 is 1.1 to 2.0 times, more preferably about 1.2 to 1.5 times that of the second barrier layer 1322. Set as follows. By setting in this way, the function as the active layer can be sufficiently exhibited, while the excessive series resistance component is suppressed, and a decrease in the luminous efficiency of the active region can be avoided.
  • the thickness of the first barrier layer 1312 is preferably at least twice the thickness of the well layers 1311 and 1321. By increasing the thickness of the barrier layer, a long wavelength emission spectrum can be obtained with high efficiency. This is because a thick well layer can compensate for a defect site that can be generated by increasing the indium mixed crystal ratio, and thus a good well layer can be obtained.
  • the number of stacked layers in the second active region 132 (the number of stacked layers) is less than the number of stacked layers in the first active region 131.
  • the number of stacked layers of the first active region 131 is two times or more, preferably three times or more.
  • the cap layer 1313 is a layer for preventing indium in the composition from escaping from the well layer.
  • As the cap layer for example, an AlGaN layer is formed with respect to the InGaN well layer. By stacking and closing such a cap layer 1313 on the upper surface of the well layer, it is possible to prevent decomposition of indium and improve luminous efficiency. (Final barrier layer)
  • the final barrier layer 15 stacked at a position closest to the p-type semiconductor layer 12 is thicker than the first barrier layer 1312 and the second barrier layer 1322.
  • the film thickness of the final barrier layer 15 may be approximately the same as the thickness of another closest barrier layer (in the example of FIG.
  • the second barrier layer 1322 of the pair p2-2 of the second active region 132) the second barrier layer 1322 of the pair p2-2 of the second active region 132).
  • the final barrier layer 15 is omitted, and the p-type semiconductor is formed on the uppermost barrier layer among the barrier layers constituting the multiple quantum well structure in the active region, that is, on the barrier layer having the thinnest film thickness. It is also possible to stack layers.
  • the active region 13 of the semiconductor layer is divided into two groups of the first active region 131 and the second active region 132.
  • the present invention is not limited to this configuration, and the active region 13 is divided into three or more active regions. It goes without saying that it is also possible to do this.
  • the active region 13 is divided into three groups of a first active region 131, a second active region 132, and a third active region 133 in order from the n-type semiconductor layer 11 side to the p-type semiconductor layer 12 side.
  • An example of division is shown below.
  • the thickness of the well layer is kept constant, and the thickness of the barrier layer is set to the first active region 131> second.
  • Active region 132> third active region 133 is set.
  • the resistance component is reduced and the forward voltage is reduced as described above.
  • the forward voltage Vf can be reduced and the light emission efficiency (lumen per watt) can be improved.
  • the number of pairs as the first active region 131> the second active region 132> the third active region 133, it is possible to uniformly inject carriers into all the light emitting regions, thereby further improving the light emission efficiency.
  • the active region 13 in FIG. 5 has a third active region 133 stacked thereon in addition to the first active region 131 and the second active region 132 shown in FIG. 133 includes a pair p3-1 composed of the third well layer 1331 and the third barrier layer 1332.
  • the thickness of the barrier layer in each of the first active region 131, the second active region 132, and the third active region 133 is made constant, and the film thickness is changed step by step.
  • the film thickness may be continuously changed so that the thickness of the barrier layer gradually decreases from the semiconductor layer 11 side toward the p-type semiconductor layer 12 side.
  • a substrate on which a nitride-based semiconductor can be grown on the upper surface and having a composition different from that of the nitride-based semiconductor can be used.
  • a material constituting such a heterogeneous substrate for example, sapphire, spinel (insulating substrate such as MgAl 12 O 4 , SiC (6H, 4H) having any one of the C-plane, R-plane, and A-plane as a main surface. 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si, and an oxide substrate lattice-matched with a nitride-based semiconductor, etc.
  • Preferred examples of the dissimilar substrate include sapphire and spinel.
  • different substrates may be off-angle. In this case, it is preferable to use an off-angled stepped shape because the growth of the underlying layer made of gallium nitride is grown with good crystallinity.
  • the heterogeneous substrate after growing a nitride-based semiconductor as an underlayer before forming the element structure on the heterogeneous substrate, the heterogeneous substrate is removed by a method such as polishing, and the nitride-based semiconductor alone An element structure may be formed as a substrate. Further, the heterogeneous substrate can be removed after the element structure is formed.
  • a sapphire substrate is used as the growth substrate, but other types of substrates, for example, substrates other than nitride semiconductors may be used. Further, a GaN substrate may be used in place of the dissimilar substrate. (Buffer layer)
  • the element structure of the semiconductor layer is formed through a buffer layer that is a low-temperature growth layer and a base layer made of a nitride-based semiconductor (for example, GaN).
  • a buffer layer that is a low-temperature growth layer and a base layer made of a nitride-based semiconductor (for example, GaN).
  • the buffer layer and the base layer may be composed of a single layer or a plurality of layers. Further, only the buffer layer may function as the underlayer. (Production method)
  • a heterogeneous substrate made of sapphire having a 3-inch ⁇ and C-plane as a main surface is set in a MOVPE reaction vessel, and the temperature is set to 500 ° C.
  • Trimethylgallium (TMG), TMA (trimethylaluminum), and ammonia (NH 3 ) are used to grow a buffer layer made of Al 0.05 Ga 0.95 N to a thickness of 250 mm.
  • TMG Trimethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • NH 3 ammonia
  • the temperature is raised, and undoped GaN is grown to a thickness of 15000 mm to form an underlayer.
  • an n-type semiconductor layer 11, an active region 13, and a p-type semiconductor layer 12 to be the element structure 10 are sequentially stacked.
  • an n-type contact layer made of GaN doped with Si at 1150 ° C. using TMG, ammonia, and silane gas as an impurity gas is grown on the obtained underlayer with a thickness of 40000 mm.
  • the temperature is set to 900 ° C.
  • TMI, TMG, ammonia and silane gas are used as source gases, and a first layer made of Si-doped In 0.05 Ga 0.95 N is grown to a thickness of 22 mm, followed by TMI is stopped and a second layer made of GaN is grown to a thickness of 11 mm.
  • this operation is repeated 30 times to laminate the first layer and the second layer, and an intervening layer made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 660 mm is grown.
  • the In mixed crystal ratio of InGaN is in the range of 0.05 or more and 0.3 or less, it can sufficiently function as a buffer layer.
  • the semiconductor light emitting device can have an intervening layer containing indium between the n-type semiconductor layer and the active region.
  • an intervening layer SLB layer
  • a non-doped single layer containing indium at a temperature of 1000 ° C. can sufficiently function as a buffer layer.
  • the intervening layer may be doped with n-type impurities. As a result, the carrier injection efficiency and the carrier amount can be increased. As a result, the luminous efficiency can be improved and Vf can be reduced. In this case, since the resistivity can be lowered by further doping with Si, a low-resistance buffer layer can be obtained.
  • one cycle of the active region to be described later is an activity in which a total of three or more layers of a well layer containing indium, a barrier layer having a composition different from that of the well layer, and a cap layer having a composition different from both of these layers is taken as one cycle.
  • the intervening layer may be omitted.
  • the temperature is set to 900 ° C.
  • TMG is used as a source gas
  • a Si-doped GaN layer is formed with a thickness of 40 mm
  • an undoped GaN layer is formed thereon with a thickness of 20 mm.
  • the n-type semiconductor layer 11 is formed, and then, as the active region 13, for example, a semiconductor layer including a well layer containing indium in the composition and a barrier layer not containing indium in the composition is formed.
  • a semiconductor layer including a well layer containing indium in the composition and a barrier layer not containing indium in the composition is formed.
  • a well layer made of undoped In 0.57 Ga 0.43 N and a barrier layer made of GaN as one cycle, a plurality of layers are formed so as to be a barrier layer / well layer / barrier layer / well layer / barrier layer.
  • the cycles are stacked in order of repetition.
  • the thickness of the barrier layer on the p-type semiconductor layer side (the second barrier layer in the second active region) is larger than the thickness of the barrier layer on the n-type semiconductor layer side (the first barrier layer in the first active region).
  • a multiple quantum well structure (MQW) is configured.
  • a final barrier layer 15 made of GaN can be formed on the side closest to the p-type semiconductor layer.
  • the p-type semiconductor layer 12 may include a layer having the same composition as the barrier layer.
  • the p-type semiconductor layer has an AlGaN composition
  • the band gap difference from the InGaN well layer can be made larger than that of the GaN barrier layer.
  • carrier overflow is suppressed and carriers are efficiently confined, and the light emission recombination efficiency can be increased.
  • the temperature is set to 1050 ° C.
  • TMA, TMG, and ammonia are used as source gases
  • Cp 2 Mg cyclopentadienyl magnesium
  • Mg is doped at 1 ⁇ 10 19 / cm 3.
  • a p-type electron confinement layer made of Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 150 mm.
  • the function of confining electrons serving as carriers is exhibited, contributing to higher output.
  • the electron confinement layer can be omitted.
  • the structure of the active region is a structure in which a total period of three or more layers of a well layer containing indium, a barrier layer having a composition different from that of the well layer, and a cap layer having a composition different from both of them is one cycle, Providing an Mg-doped GaN layer can also contribute to high output.
  • an undoped GaN layer is grown to a thickness of 2000 mm using TMG and ammonia as source gases at the same temperature.
  • a p-type low-doped contact layer made of GaN doped with 1 ⁇ 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the undoped GaN layer at a similar temperature at a thickness of 1000 mm.
  • Such p-type low doped contact layer may be composed of In X Al Y Ga 1-XY N (0 ⁇ X, 0 ⁇ Y, X + Y ⁇ 1).
  • a layer having a low resistance can be obtained by using GaN doped with Mg.
  • p-type contact layer composed of GaN was 1 ⁇ 10 20 / cm 3 doped with Mg in a thickness of 150 ⁇ .
  • p-type contact layer may be composed of In X Al Y Ga 1-XY N (0 ⁇ X, 0 ⁇ Y, X + Y ⁇ 1).
  • the contact layer is a layer for forming an electrode, a high carrier concentration of 1 ⁇ 10 17 / cm 3 or more is desirable.
  • the wafer is annealed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in the reaction vessel to further reduce the resistance of the p-type semiconductor layer.
  • the semiconductor light emitting device 100 can emit light having an emission spectrum peak corresponding to the well layer.
  • the wavelength of output light can be set to 530 nm or more in the nitride semiconductor light emitting device 100 of the example.
  • the light emission efficiency can be suitably improved even if the mixed crystal ratio in the well layer tends to be high and the crystallinity tends to deteriorate.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device manufactured as described above a test for confirming the usefulness of the configuration of the present invention was performed. Specifically, the nitride-based semiconductor light-emitting device having the semiconductor layer structure of FIG. 2 was mounted on a ⁇ 5 type bullet-type lamp, and the light emission intensity ( ⁇ e) and the light emission efficiency (W / ⁇ e) were measured.
  • the specific semiconductor layer structure is such that the number of active layer pair stacks is 12 pairs, the thickness of the first and second barrier layers 1322 is changed, and the ratio of the number of pair stacks of the first and second barrier layers 1322 is further changed. Changed.
  • the thickness of the well layer was about 30 mm
  • the thickness of the first barrier layer 1312 including the cap layer was about 150 mm
  • the thickness of the second barrier layer 1322 including the cap layer was about 100 mm.
  • the phosphor was not contained
  • the current value was 20 mA as the measurement conditions
  • the number of samples was 5 under each condition
  • the measurement environment was an integrating sphere at room temperature.
  • the test results are shown in the graph of FIG. As shown in this graph, the light emission intensity and the light emission efficiency are higher when the second barrier layer 1322 on the p-type semiconductor layer 12 side is thinner than the first barrier layer 1312 on the n-type semiconductor layer 11 side.
  • the number of stacked pairs of the second barrier layer 1322 on the p-type semiconductor layer 12 side is smaller than the number of stacked pairs of the first barrier layer 1312 on the n-type semiconductor layer 11 side. It was confirmed that the emission intensity and the emission efficiency were high. In particular, when the ratio of the number of stacked pairs (first barrier layer 1312: second barrier layer 1322) is 9: 3 than 7: 5, both the light emission intensity and the light emission efficiency are excellent. It was confirmed that the effect was greater when the difference in the numbers was increased. (Comparative test 2)
  • the forward voltage can be reduced to improve the light emission efficiency, and the usefulness of the present invention has been confirmed.
  • Nitride-based semiconductor light-emitting device, light-emitting device using the same, and manufacturing method thereof include an illumination light source, a light-emitting device, an LED display in which the light-emitting device is used as a light source, a backlight source, a traffic light, and an illumination. It can be suitably used for various sensors such as an image switch, an image scanner, and various indicators.

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Abstract

【課題】半導体発光素子の順方向電圧を抑制し、高効率を達成する。 【解決手段】基板と、前記基板上に活性領域を挟んで積層されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成する障壁層と、前記障壁層の膜厚よりも厚い膜厚を有し、かつ前記ｐ型半導体層に最も近い側に設けられた最終障壁層と、を含み、前記多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、前記最終障壁層に隣接した２層の障壁層の平均膜厚は、他の障壁層の平均膜厚よりも薄くする。

Description

窒化物系半導体発光素子
　本発明は、主に窒化物系半導体（例えば、一般式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いた半導体発光素子及びこれを用いた発光装置並びその製造方法に関する。
　発光層を挟んでｐ型半導体層及びｎ型半導体層を積層した半導体発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）、並びにこれらを用いた照明などの発光装置が実用化されている。特に窒化物系材料（以下、集合的に「ＧａＮ」と呼ぶことがある。）を用いた半導体発光素子は、青や緑などの発光が得られることから、研究開発も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、異種基板上にＧａＮを成長させることが知られている。この方法では、異種基板をサーマルクリーニングした後に、その上面に低温バッファ層を成長し、その後高温にてＧａＮ層を成長させる。ここでＧａＮ層を成長させる目的は、基板表面の平坦化や、また異種基板からの貫通ピットを無くすため等である。その後、ｎ型オーミック電極とのオーミック接合面となるｎ型不純物をドープした層として、ｎコンタクト層を成長させる。さらにその後は、活性層の下地層となる超格子層を積層し、活性層へと繋げる。
　このような製造方法では、異種基板上にＧａＮを成長させるため、ＧａＮ層に存在する無数の転位が、ｎコンタクト層、活性層からｐ型半導体層へと引き継がれることとなる。特に活性層がＩｎを含む場合は結晶欠陥が存在しており、これは下地からの転位量に依存する。すなわち、転位が多い程、結晶欠陥も多くなる結果、非発光再結合確率が大きく左右されることとなる。
　一方、高輝度で高効率な発光素子を得るために、井戸層の厚みや活性層の積層数を多くすることが行われている（例えば特許文献１～５）。例えば特許文献１では、活性層の半導体量子井戸構造を構成する障壁層及び井戸層の内、井戸層の膜厚を変化させて異なる波長の光を発光可能とすると共に、障壁層及び井戸層のペア数を、ｎ側半導体層側よりもｐ側半導体層側で多くしている。また特許文献２では、活性層に近いｐ型半導体層のｐ型不純物のドープ量を低くするかノンドープとして、ｐ型半導体層に最も近い障壁層を薄膜にすることでホール注入効率を改善している。
特開２００９－９９８９３号公報 特開２００６－１０８５８５号公報 特開２００８－１０９０６６号公報 特開２００３－２１８３９６号公報 特開２００２－２２３０４２号公報
　しかしながら、一旦発生した転位や欠陥は、容易には減らすことができず、特に活性層中の井戸層を厚膜化したり、積層数を増やすことによって、転位や欠陥がさらに増える傾向にある。この結果、転位や結晶欠陥の多い発光層となって高い発光効率を得ることができなくなる。この場合に活性層中の井戸層を厚膜化したり積層数を増やしても、単に直列抵抗成分を増やす結果となって、順方向電圧Ｖｆが高くなり高効率化を妨げるという問題があった。
　本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の主な目的は、転位や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ることで、更なる高効率化を図った発光素子を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
　上記の目的を達成するために、本発明の半導体発光素子によれば、基板と、前記基板上に活性領域を挟んで積層されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成する障壁層と、前記障壁層の膜厚よりも厚い膜厚を有し、かつ前記ｐ型半導体層に最も近い側に設けられた最終障壁層と、を含み、前記多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、前記最終障壁層に隣接した２層の障壁層の平均膜厚は、他の障壁層の平均膜厚よりも薄くすることができる。これにより、ｐ型半導体層側の抵抗を低減させて順方向電圧を低下でき、高効率な窒化物系半導体発光素子を得ることができる。
　また本発明の半導体発光素子によれば、基板と、前記基板上に活性領域を挟んで積層されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成する障壁層を含み、前記障壁層は、第一障壁層と、前記第一障壁層よりも前記ｐ型半導体層側に設けられ、かつ前記第一障壁層の膜厚よりも薄い膜厚を有する第二障壁層と、から少なくとも構成され、前記第一障壁層の総数は、前記第二障壁層の総数よりも多くすることができる。これにより、結晶性を改善し、発光効率を向上させた窒化物系半導体発光素子を得ることができる。
　さらに前記活性領域は、前記ｐ型半導体層に最も近い側に設けられた最終障壁層を含み、前記最終障壁層の膜厚は、前記第一障壁層および前記第二障壁層のそれぞれの膜厚よりも厚くすることができる。これにより、障壁層で発生した結晶欠陥を効率よく埋め込むことができ、半導体素子として高い信頼性を得ることができる。
　さらにまた、前記活性領域に含まれる障壁層の膜厚の内、前記最終障壁層を除いて、前記ｐ型半導体層側に位置する障壁層の膜厚が、前記ｎ型半導体層側に位置する障壁層の膜厚よりも薄く形成することができる。これにより、障壁層の膜厚を変化させて抵抗成分を減らすことによって、高効率化を図ることができる。
　さらにまた、前記第一障壁層は、前記第一障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、前記第一障壁層の膜厚が、前記井戸層の膜厚の２倍以上とできる。これにより、発光再結合効率の高いｎ型半導体層側の結晶性を改善し、さらに発光効率を向上させることができる。
　さらにまた、前記障壁層は、前記障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、前記井戸層がＩｎＧａＮで構成され、前記障壁層がＧａＮ、又は、前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮで構成することができる。これにより、井戸層中の結晶欠陥を障壁層で埋めることができ、高効率な発光素子が得られる。
　さらにまた、前記活性領域の一周期を構成する井戸層と障壁層の間に、前記井戸層１及び障壁層１と組成の異なるキャップ層を各々設けることができる。
　さらにまた、前記キャップ層をＡｌＧａＮ層で構成できる。これにより、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎが抜ける事態をＡｌＧａＮキャップ層で効果的に阻止でき、高い発光効率を維持できる。
　さらにまた窒化物半導体発光素子は、活性領域内の障壁層の内、最も薄い膜厚を有する障壁層の上にｐ型半導体層を積層してもよい。
本発明の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子を用いた発光装置の素子構造を示す模式断面図である。 図１の窒化物系半導体発光素子の半導体構造を示す模式断面図である。 障壁層の例を示す模式断面図である。 井戸層及び障壁層で構成された多重量子井戸構造の活性領域を電子及び正孔が移動する様子を示す模式図である。 変形例に係る活性領域を３つのグループに分割した構成を示す模式断面図である。 比較試験１の結果を示すグラフである。 比較試験２の結果を示すグラフである。
　以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、窒化物系半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、窒化物系半導体発光素子を以下のものに特定しない。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。さらに、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。
（実施の形態１）
　図１に、本発明の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子、具体的には発光装置の素子構造を模式的に示す。図１の発光素子１００は、基板４と、この基板４上に積層された半導体構造１０とを有する窒化物系半導体発光素子である。半導体構造１０は、活性領域１３を挟んで積層されたｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１２とを含む。つまり発光素子１００は、基板４上に、ｎ型半導体層１１、活性領域１３、ｐ型半導体層１２をこの順に積層して構成される。さらに発光素子１００は、ｐ型半導体層１２の一部を除去して露出されたｎ型半導体層１１にｎ型電極２１を形成されると共に、ｐ型半導体層１３の主面にはｐ型電極２２を備える。このｎ型電極２１及びｐ型電極２２を介して、ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１２にそれぞれ電力が供給されると、活性領域１３より光が出射し、半導体構造１０の上方に位置するｐ型半導体層１２側を主発光面側として、すなわち図１の上方から主に光が取り出される。
　活性領域１３は、多重量子井戸構造を構成する障壁層２を有する。図１の活性領域１３は、井戸層１と、この井戸層１と組成の異なる障壁層２と、を含む複数層を一周期として、複数周期を繰り返し積層した多重量子井戸構造である。障壁層２は、複数の第一障壁層１３１２と、この第一障壁層１３１２よりもｐ型半導体層１２側に設けられ、かつ第一障壁層１３１２の膜厚よりも薄い膜厚を有する複数の第二障壁層１３２２とから少なくとも構成されており、第一障壁層１３１２の総数は、第二障壁層１３２２の総数よりも多い。
　また活性領域１３は、第一障壁層１３１２及び第二障壁層１３２２のそれぞれに対応して、第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２を構成する。具体的には、（１）第一井戸層１３１１と、この第一井戸層と組成の異なる第一障壁層１３１２と、を含む複数層を一周期として複数周期を積層した多重量子井戸構造の第一活性領域１３１と、（２）第一活性領域１３１よりもｐ型半導体層１２側に設けられ、第一井戸層１３１１と略等しい組成及び膜厚を有する第二井戸層１３２１と、この第一障壁層１３１２と略等しい組成を備え、その膜厚を第一障壁層１３１２よりも薄くした第二障壁層１３２２と、を含む複数層を一周期として複数周期を積層した多重量子井戸構造の第二活性領域１３２と、を含む。また第一活性領域の一周期繰り返し数は、第二活性領域の一周期繰り返し数よりも多い。
（半導体構造１０）
　半導体構造１０の詳細を、図２の断面図に示す。この図に示すように、半導体構造１０はｎ型半導体層１１上に、活性領域１３、ｐ型半導体層１２が積層されて構成される。さらに活性領域１３は、ｎ型半導体層１１側からｐ型半導体層１２側に向かって、第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、最終障壁層１５とを順に積層している。つまり、最終障壁層１５は、多重量子井戸構造とｐ型半導体層１２との間に介在されており、ｐ型半導体層１２に最も近い側に位置する。この最終障壁層１５の膜厚は、他の障壁層、すなわち第一障壁層１３１２及び第二障壁層１３２２のそれぞれの膜厚よりも厚い。
（第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２）
　第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２は、各々、井戸層１３１１、１３２１と障壁層１３１２、１３２２とを含む組（ペア）を一周期として、複数の周期を繰り返して積層した多重量子井戸構造としている。図２の第一活性領域１３１は、第一井戸層１３１１と第一障壁層１３１２とから構成されたペアｐ１－１、ｐ１－２、ｐ１－３、ｐ１－４を４組積層し、さらにこの第一活性領域１３１上に第二活性領域１３２を配置している。第二活性領域１３２は、同様に第二井戸層１３２１と第二障壁層１３２２からなるペアｐ２－１、ｐ２－２から構成され、図２の例では二周期繰り返して形成されている。第一活性領域１３１を構成する各ペアｐ１－１、ｐ１－２、ｐ１－３、ｐ１－４は厚みがそれぞれ略等しく、さらに各ペアを構成する第一井戸層１３１１同士の厚み、また第一障壁層１３１２同士の厚みもそれぞれ略等しい。同様に、第二活性領域１３２を構成する各ペアｐ２－１、ｐ２－２の厚みが等しく、第二井戸層１３２１同士、また第二障壁層１３２２同士の厚みも略等しい。また図の例では、ｎ型半導体層１１に近接する側を第１の井戸層１３１１とし、この井戸層１３１１の上に第１障壁層１３１２を積層させてペアを構成しているが、ｎ型半導体層１１側に近接する層は井戸層に限らず、障壁層としてもよい。
（井戸層及び障壁層）
　井戸層はその組成中にインジウムを含む半導体層であり、好ましくはＩｎＧａＮ層とする。また障壁層は、井戸層と異なる組成の半導体層であり、例えばＧａＮ層、又は、井戸層よりもＩｎの混晶比が低いＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などが挙げられ、好ましくは組成中にインジウムを含まない層とする。好適には、ＧａＮ層とする。
　第二活性領域１３２の各第二井戸層１３２１の膜厚は、第一活性領域１３１の各第一井戸層１３１１の膜厚と等しくする。活性領域に含まれる各井戸層の膜厚を略等しくする発光素子は、出力光の波長や色純度を一定に維持しつつ、障壁層の膜厚を変化させて高効率化を図ることができる。一方で、ｐ型半導体層１２側に面した第二活性領域１３２の第二障壁層１３２２の膜厚を、ｎ型半導体層１１側に面した第一活性領域１３１の第一障壁層１３１２よりも薄くしている。つまり、活性領域１３に含まれる障壁層の膜厚の内、最終障壁層１５を除いて、ｐ型半導体層１２側に位置する障壁層の膜厚が、ｎ型半導体層１１側に位置する障壁層の膜厚よりも薄く形成されている。さらに多重量子井戸構造を構成する障壁層２の内、最終障壁層１５に隣接した２層の障壁層１３２２の平均膜厚は、他の障壁層１３１２の平均膜厚よりも薄い。したがって第一障壁層１３１２が第二障壁層１３２２よりも膜厚が厚い分、第一活性領域１３１を構成する各ペアｐ１－１、…は、第二活性領域１３２を構成する各ペアｐ２－１、…よりも膜厚を厚くして構成される。言い換えると、多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、最終障壁層１５に面した障壁層及びこの障壁層と最終障壁層１５に面した側と反対側で対向する障壁層の２層の平均膜厚が、多重量子井戸構造に含まれる他の障壁層の平均膜厚よりも薄い。
　障壁層は、量子井戸効果を発揮させる以外に、井戸層で発生した結晶欠陥を補填する作用もある。例えば図４に示すように、ＩｎＧａＮ層の井戸層ではＩｎの混晶比が高くなる程、結晶欠陥や転位が増える。特に、緑色系のような発光波長が長波になる場合は、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎの混晶比を高くする必要が生じる。Ｉｎの混晶比を高くなると結晶性が悪くなって欠陥が増え、これは層成長を繰り返す程、すなわちｐ型半導体層側（図３では上、図４では右）に向かう程ひどくなる。ｎ型半導体層１１上にｐ型半導体層１２を積層する図４の構造においては、左から右に向かう程、欠陥や転位が増加する。これを改善するため、ＩｎＧａＮ井戸層の上に、ＧａＮ障壁層を厚く積層し、結晶欠陥を埋めると共に、ｐ型半導体層１２の不純物が活性領域側に拡散し、井戸層に混入する事態を阻止し、もって活性領域の結晶性を改善することが行われていた。しかしながら、障壁層が厚くなると抵抗成分が増大して、ＯＮ時の順方向電圧が高くなるという問題があった。この問題を解決するため、本発明者は鋭意研究の結果、ｎ型半導体層１１側の障壁層の厚さを維持しつつ、ｐ型半導体層１２側の障壁層を薄くすることで順方向電圧を低下させることに成功したものである。
　障壁層の膜厚は、好ましくは第一障壁層１３１２の膜厚が第二障壁層１３２２の１．１倍～２．０倍、より好ましくは１．２～１．５倍程度の厚みとなるように設定する。このように設定することによって、活性層としての機能を十分に発揮できる一方で、直列抵抗成分が過大になることが抑制され、活性領域の発光効率の低下を回避できる。また第一障壁層１３１２の膜厚が、井戸層１３１１、１３２１の膜厚の２倍以上であることが好ましい。障壁層を厚くすることで、長波長の発光スペクトルを高効率に得られる。これは、厚い障壁層が、インジウム混晶比を高くすることで生じうる欠陥部位を補填できるため、良好な井戸層を得られることに起因する。特に、発光再結合効率に寄与するｎ型半導体層１１側で障壁層１３１２を厚くすることで、より顕著に発光効率の向上効果が得られる。
（活性領域１３のペア積層数）
　さらに好ましくは、第二活性領域１３２のペア積層数（積層した周期の数）は、第一活性領域１３１のペア積層数よりも少なくする。具体的には、第二活性領域１３２に対して、第一活性領域１３１のペア積層数を２倍以上、好適には３倍以上のペア積層数とする。このように構成することで、活性領域としての機能を十分発揮しつつ、必要以上に直列抵抗成分を増加させることなく、かつ活性領域の下地層としての役割を果たし、発光効率を低下させる事態を回避できる。
（キャップ層）
　さらに図３に示すように、井戸層と障壁層の間に、これら井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層１３１３を設けることが好ましい。キャップ層１３１３は、井戸層から組成中のインジウムが抜けるのを阻止するための層である。キャップ層としては、例えばＩｎＧａＮ井戸層に対して、ＡｌＧａＮ層で構成する。このようなキャップ層１３１３を井戸層の上面に積層して閉塞することで、インジウムの分解を阻止して、発光効率を改善できる。
（最終障壁層）
　ｐ型半導体層１２に最も近い位置に積層される最終障壁層１５は、第一障壁層１３１２や第二障壁層１３２２よりも膜厚を厚くする。特に最終障壁層１５の膜厚を第二障壁層１３２２以上の膜厚とすることで、第二活性領域１３２で発生した結晶欠陥を効率よく埋め込むことができ、半導体素子として高い信頼性を得られる。なお、最終障壁層１５を除く障壁層でもって活性領域１３内の結晶欠陥を十分に補てんし、特にｎ型半導体層１１寄りの発光再結合効率が高効率に確保されている場合は、最終障壁層１５の厚みを最も近接する他の障壁層（図２の例であれば第二活性領域１３２のペアｐ２－２の第二障壁層１３２２）の厚みと同等程度とすればよい。あるいは最終障壁層１５を省略して、活性領域内の多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、最も上部に位置する障壁層、すなわち最も薄い膜厚を有する障壁層の上に、ｐ型半導体層を積層させることも可能である。
　以上の例においては、半導体層の活性領域１３を第一活性領域１３１と第二活性領域１３２の２つのグループに分割した例を説明したが、この構成に限られず、３以上の活性領域に分割することも可能であることはいうまでもない。図５に、変形例として活性領域１３をｎ型半導体層１１側からｐ型半導体層１２側に向かって順に、第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、第三活性領域１３３の３つのグループに分割した例を示す。この構成においても、第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、第三活性領域１３３において、井戸層の厚さは一定に維持しつつ、障壁層の厚さを第一活性領域１３１＞第二活性領域１３２＞第三活性領域１３３に設定している。これによって、上記と同様に抵抗成分を低減して順方向電圧の低下が図られる。また、井戸層と障壁層のペア数を多くすることで順方向電圧Ｖｆを低減し、発光効率（ルーメンパーワット）を改善できる。この際、ペア数を第一活性領域１３１＞第二活性領域１３２＞第三活性領域１３３とすることで、全ての発光領域への均一なキャリア注入を可能とするため、さらに発光効率を改善できる。
　具体的に図５の活性領域１３は、図２に示される第一活性領域１３１及び第二活性領域１３２に加えて、さらに上方に第三活性領域１３３を積層しており、この第三活性領域１３３は、第三井戸層１３３１と第三障壁層１３３２とから構成されたペアｐ３－１を一組有する。さらに、上記の変形例では第一活性領域１３１、第二活性領域１３２、第三活性領域１３３それぞれにおける障壁層の厚さを一定にして、段階的に膜厚を変化させているが、ｎ型半導体層１１側からｐ型半導体層１２側に向かって徐々に障壁層の厚さが薄くなるように、膜厚を連続的に変化させても良い。
（基板）
　半導体層を成長される基板としては、上面に窒化物系半導体を成長させることが可能な基板であって、窒化物系半導体とは組成の異なる基板を用いることができる。このような異種基板を構成する材料としては、例えばＣ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ12Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物系半導体と格子整合する酸化物基板等である。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。
　また異種基板は、オフアングルしていてもよい。この場合は、ステップ状にオフアングルしたものを用いることで、窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長されるため、好ましい。更に異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物系半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物系半導体の単体基板として素子構造を形成してもよい。また素子構造形成後に、異種基板を除去することもできる。
　本実施例では、成長基板としてサファイア基板を用いているが、他の異種基板、例えば窒化物系半導体以外の基板を用いても良い。さらに異種基板に代えて、ＧａＮ基板を用いても良い。
（バッファ層）
　異種基板を用いる場合には、低温成長層であるバッファ層、及び窒化物系半導体（例えばＧａＮ）からなる下地層を介して、半導体層の素子構造を形成させる。このようにバッファ層と下地層を介在させることで、窒化物系半導体の成長が良好なものとなる。なお、バッファ層や下地層は一層のみとする他、複数層で構成しても良い。またバッファ層のみで下地層の機能を兼用させても良い。
（製造方法）
　本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法について説明すると、まず３インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるバッファ層を２５０Åの膜厚で成長させる。その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１５０００Åの膜厚で成長させて下地層とする。この下地層の上に、素子構造１０となるｎ型半導体層１１、活性領域１３、ｐ型半導体層１２を順次積層していく。
　まず、得られた下地層上にＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１１５０℃でＳｉドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を、４００００Åの膜厚で成長させる。
　次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアと不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第一層を２２Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＩを止めＧａＮよりなる第二層を１１Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ３０回繰り返して第一層と第二層の積層し、総膜厚６６０Åの多層膜（超格子構造）よりなる介在層を成長させる。このとき、ＩｎＧａＮのＩｎ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にバッファ層として機能させることができる。
　このように半導体発光素子は、ｎ型半導体層と活性領域との間に、インジウムを含む介在層を有することができる。結晶性の良好なｎ型半導体層と活性領域の間に、緩衝層の働きを持ったインジウムを含む介在層（ＳＬＢ層）を設けることで、活性層への応力を緩和でき、不要な応力の印加を回避できる。なお、このような介在層としては、温度を１０００℃でインジウムを含むノンドープ単層としても、十分にバッファ層として機能させることができる。加えて、介在層にｎ型不純物をドープしてもよい。これによりキャリアの注入効率やキャリア量を増加させることができ、この結果、発光効率が向上すると共にＶｆを低減できる効果を得られる。この場合は、さらにＳｉドープすれば抵抗率を下げることができるため、低抵抗なバッファ層とすることができる。
　さらに後述する活性領域の一周期が、インジウムを含む井戸層と、この井戸層と組成の異なる障壁層と、これら両方の層と組成の異なるキャップ層の、計３層以上を一周期とする活性領域構造を具備する場合においては、介在層を省いてもよい。
　次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＧを用い、ＳｉドープのＧａＮ層を膜厚４０Åにて形成し、その上にアンドープのＧａＮ層を膜厚２０Åにて形成する。
　以上によりｎ型半導体層１１が形成され、続いて活性領域１３として、例えば組成中にインジウムを含む井戸層と、組成中にインジウムを含まない障壁層を備える半導体層を構成する。具体的にはアンドープのＩｎ0.57Ｇａ0.43Ｎよりなる井戸層、および、ＧａＮよりなる障壁層を１周期として、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層・・・となるように複数周期を繰り返し順に積層する。このとき、ｎ型半導体層側の障壁層（第一活性領域の第一障壁層）の膜厚よりも、ｐ型半導体層側の障壁層（第二活性領域の第二障壁層）の膜厚の方が薄くなるように形成される。また、井戸層と障壁層の間に、その両方と組成の異なる障壁層を導入しても良い。このようにして多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が構成される。さらにｐ型半導体層に最も近い側にはＧａＮよりなる最終障壁層１５を形成することができる。
　次に、ｐ型半導体層１２を形成する。ｐ型半導体層１２は、障壁層と同じ組成の層を含んでもよい。特にp型半導体層をＡｌＧａＮ組成とすることで、ＩｎＧａＮ井戸層とのバンドギャップ差をＧａＮ障壁層よりも大きくできる。この結果、キャリアオーバーフローを抑制して効率良くキャリアを閉じ込めることとなり、発光再結合効率を上げることができる。具体的にはまず、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層を１５０Åの膜厚で成長させる。この電子閉込層を設けることで、キャリアとなる電子の閉込め機能を発揮させて、高出力化に寄与させる。ただし、電子閉込層は省略することもできる。
　さらに、活性領域の構造がインジウムを含む井戸層と、この井戸層と組成の異なる障壁層と、これらの両方と組成の異なるキャップ層の計３層以上を一周期とする構造の場合においては、ＭｇドープのＧａＮ層を設けることでも、高出力に寄与できる。
　次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮ層を、２０００Åの膜厚で成長させる。
　さらに、同様の温度で、アンドープＧａＮ層の上に、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型ロードープコンタクト層を、１０００Åの膜厚で成長させる。このようなｐ型ロードープコンタクト層としては、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができる。好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、低抵抗な層が得られる。
　最後に、同様の温度で、ｐ型ロードープコンタクト層の上に、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層は、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができる。好ましくは、ｐ型コンタクト層をＭｇをドープしたＧａＮ層とすれば、ｐ電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層は電極を形成する層であるので、１×１０17／ｃｍ3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０17／ｃｍ3よりも低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。このようにして反応を終了した後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型半導体層を更に低抵抗化する。
　また半導体発光素子１００は、井戸層に対応した発光スペクトルのピークを有する光を出射できる。上述の製造方法により、実施例の窒化物半導体発光素子１００であれば、出力光の波長を５３０ｎｍ以上とできる。これにより、緑色系やアンバー系等の長波長系の窒化物系半導体発光素子において、井戸層中の混晶比が高く結晶性が悪くなる傾向にあっても、好適に発光効率を改善できる。
（比較試験１）
　以上のようにして製造した窒化物系半導体発光素子を用いて、本願発明の構成による有用性を確認する試験を行った。具体的には、図２の半導体層構造を有する窒化物系半導体発光素子をφ５タイプの砲弾型ランプへ実装し、その発光強度（φｅ）と発光効率（Ｗ／φｅ）を測定した。具体的な半導体層構造は、活性領域のペア積層数を１２ペアとして、第一、第二障壁層１３２２の膜厚を変化させて、さらに第一、第二障壁層１３２２のペア積層数の比率を変化させた。ここでは、井戸層の膜厚を約３０Åとし、キャップ層を含む第一障壁層１３１２の膜厚を約１５０Å、キャップ層を含む第二障壁層１３２２の膜厚を約１００Åとした。なおここでは蛍光体を含有させず、測定条件として電流値を２０ｍＡ、また標本数を各条件で５個とし、測定環境を常温の積分球とした。この試験結果を、図６のグラフに示す。このグラフに示すように、ｎ型半導体層１１側の第一障壁層１３１２よりもｐ型半導体層１２側の第二障壁層１３２２を薄くした方が発光強度及び発光効率が高い。さらに、総ペア積層数が同じでも、ｎ型半導体層１１側の第一障壁層１３１２のペア積層数よりもｐ型半導体層１２側の第二障壁層１３２２のペア積層数を小さくした方が、発光強度及び発光効率が高いことが確認できた。特に、積層ペア数の比率（第一障壁層１３１２：第二障壁層１３２２）が、７：５よりも９：３の方が、発光強度及び発光効率共に優れた結果を示しており、積層ペア数の差を大きくした方が効果が大きいことが確認できた。
（比較試験２）
　さらに、第二障壁層１３２２のペア積層数と順方向電圧Ｖｆの低下の度合いを確認するため、ペア積層数を変化させた試験を行った。この試験結果を図７のグラフに示す。このグラフに示すように、第二障壁層１３２２の積層ペア数を０から増やす程、順方向電圧が経過する傾向が見られ、特に積層ペア数が３以上で顕著な順方向電圧の低下が見られた。
　以上のように、本発明の構成を採用することで、順方向電圧を低下して発光効率を改善できることが確認され、本発明の有用性が確認できた。
　本発明の窒化物系半導体発光素子及びこれを用いた発光装置並びその製造方法は、照明用光源、発光素子、発光素子を光源としてドットマトリックス状に配置したＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、イメージスキャナ等の各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。
１…井戸層
２…障壁層
４…基板
１０…半導体構造
１１…ｎ型半導体層
１２…ｐ型半導体層
１３…活性領域
１３１…第一活性領域
１３２…第二活性領域
１３３…第三活性領域
１３１１…第一井戸層
１３１２…第一障壁層
１３１３…キャップ層
１３２１…第二井戸層
１３２２…第二障壁層
１３１２ａ…高温成長障壁層
１３１２ｂ…低温成長障壁層
１３３１…第三井戸層
１３３２…第三障壁層
１５…最終障壁層
２１…ｎ型電極
２２…ｐ型電極
１００…発光素子（窒化物系半導体発光素子）
ｐ１－１、ｐ１－２、ｐ１－３、ｐ１－４…第一の活性領域内のペア
ｐ２－１、ｐ２－２…第二の活性領域内のペア
ｐ３－１…第三の活性領域内のペア

Claims (9)

  1. 　基板と、前記基板上に活性領域を挟んで積層されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成する障壁層と、前記障壁層の膜厚よりも厚い膜厚を有し、かつ前記ｐ型半導体層に最も近い側に設けられた最終障壁層と、を含み、
    　前記多重量子井戸構造を構成する障壁層の内、前記最終障壁層に隣接した２層の障壁層の平均膜厚は、他の障壁層の平均膜厚よりも薄いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  2. 　基板と、前記基板上に活性領域を挟んで積層されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記活性領域は、多重量子井戸構造を構成する障壁層を含み、
    　前記障壁層は、第一障壁層と、前記第一障壁層よりも前記ｐ型半導体層側に設けられ、かつ前記第一障壁層の膜厚よりも薄い膜厚を有する第二障壁層と、から少なくとも構成され、
    　前記第一障壁層の総数は、前記第二障壁層の総数よりも多いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  3. 　前記活性領域は、さらに前記ｐ型半導体層に最も近い側に設けられた最終障壁層を含み、
    　前記最終障壁層の膜厚は、前記第一障壁層および前記第二障壁層のそれぞれの膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  4. 　請求項１から３のいずれか一に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記活性領域に含まれる障壁層の膜厚の内、前記最終障壁層を除いて、前記ｐ型半導体層側に位置する障壁層の膜厚が、前記ｎ型半導体層側に位置する障壁層の膜厚よりも薄く形成されてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  5. 　請求項２から４のいずれか一に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記第一障壁層は、前記第一障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、
    　前記第一障壁層の膜厚が、前記井戸層の膜厚の２倍以上であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  6. 　請求項１から４のいずれか一に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記障壁層は、前記障壁層と組成の異なる井戸層とで一周期として、複数周期を繰り返し積層されており、
    　前記井戸層がＩｎＧａＮで構成され、
    　前記障壁層がＧａＮ、又は、前記井戸層よりもＩｎの混晶比が低いＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮで構成されてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  7. 　請求項６に記載の窒化物系半導体発光素子であって、さらに、
    　前記活性領域の一周期を構成する井戸層と障壁層の間に、前記井戸層及び障壁層と組成の異なるキャップ層を各々設けてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  8. 　請求項７に記載の窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記キャップ層が、ＡｌＧａＮ層で構成されてなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
  9. 　請求項２に記載の窒化物半導体発光素子であって、
    　前記活性領域内の障壁層の内、最も薄い膜厚を有する障壁層の上に前記ｐ型半導体層を積層してなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
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