JP4032636B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光デバイスに利用される窒化物半導体層（たとえばＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を有する発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色ＬＥＤ、ＬＤ等に代表されるように窒化物半導体層を有する発光素子が注目を集めている。窒化物半導体から構成される素子はその融点が高く比較的熱に強いという特徴を有することから温度依存性が小さいために、発光素子のみならず各種素子への応用が期待されている。
【０００３】
また、ＬＥＤは、低消費電力および長寿命という極めて優れた特徴を有し、消費電力の節約およびメンテナンスの頻度の低減に効果があることから、信号機用の発光源としても有望視されており、屋外においても十分な視認性が得られるよう高輝度なＬＥＤの開発が望まれている。また、黄色領域の光は、前述の信号機以外においても、自動車の方向指示器、道路交通情報掲示板等、人に対して注意を促す表示に用いられることが多く、幅広い用途がある。
【０００４】
黄色領域の波長の光を発光する高輝度ＬＥＤとしては、すでにＡｌＧａＩｎＰからなるＬＥＤが実用化されている。しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰからなるＬＥＤは温度依存性が大きく、特に高温における発光出力の低下が著しいという問題点があった。こうした高温における発光出力の低下は、屋外に設置される表示器においては特に大きな問題となる。なぜなら、一般に、太陽光線が強い夏場といった時期あるいは熱帯といった地域においては表示器内の温度が非常に高温となり、太陽光線が強い状況下での発光出力の低下は視認性の低下につながるからである。このことは、人に対して注意を促す表示に用いられることが多い黄色領域の光を発光する表示器においては極めて大きな問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体層（たとえばＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を有する発光素子で、たとえば信号機の黄色に相当するような黄色領域の波長の光を発光させるには、活性層をインジウム（Ｉｎ）を含む混晶とし、そのインジウムの混晶比ｘを大きくしバンドギャップエネルギーを小さくすることによって、発光波長を長波長化できることが知られている。しかしながら、窒化物半導体層を有する発光素子によって黄色領域の波長の発光を得るために、活性層のインジウムの混晶比を大きくしていくことによって発光波長を長波長化した場合、インジウム混晶比を大きくしていくにしたがい発光出力が低下していくという問題点がある。この発光出力の低下は発光波長λdが５５０ｎｍあたりから著しくなる。さらに、５９０ｎｍあたりの発光波長を得るために必要な量のインジウム（Ｉｎ）を含む活性層においてはその表面状態が極度に悪くなり、その上に形成する半導体層を結晶性よく形成することができないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる活性層を有する発光素子、特に黄色領域の波長よりも長波長（５５０ｎｍ以上）の光を発光する発光素子の発光出力を向上させることを目的とする。さらに、黄色領域の波長の光を発光する窒化物半導体層の上に形成される半導体層の結晶性を向上することを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る第１の発光素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に活性層が形成された発光素子であって、
前記活性層は、Ｉｎを含むＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＞０）からなる井戸層と、前記井戸層上に形成されるＡｌを含むＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（ｙ２≧０．３０）からなる第１障壁層と、Ｉｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（０≦ｘ３≦０．３、０≦ｙ３≦０．１、ｘ３＋ｙ３≦０．３）からなる第２障壁層とを含み、前記第２障壁層、前記井戸層、前記第１障壁層とがこの順に繰り返し形成された多重量子井戸構造であり、
前記井戸層のＩｎ混晶比ｘ１が、０．６以上であり、
前記井戸層は前記第２障壁層上に形成されたことを特徴とする。
このように構成された本発明の第１の発光素子は、窒化物半導体発光素子、特に黄色領域の波長よりも長波長の光を発光する窒化物半導体層を有する発光素子の発光出力を向上させることができる。また、井戸層および第１障壁層の上に形成される半導体層の結晶性を向上させることができる。
すなわち、本発明に係る第１の発光素子では、井戸層をＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０．６≦ｘ１≦１）からなる３元混晶としているので、井戸層およびその上に形成される第１障壁層の結晶性を向上させることができ、第１障壁層の上に形成される半導体層の結晶性をさらに向上させることができる。
また、本発明に係る第１の発光素子において、井戸層のＩｎの混晶比ｘ１が０．６以上として構成することによって、黄色の波長領域、またはそれ以上の長波長の発光を得ることができる。
【０００８】
また、本発明に係る第２の発光素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に活性層が形成された発光素子であって、
前記活性層は、Ｉｎを含むＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＞０）からなる井戸層と、前記井戸層上に形成されるＡｌを含むＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（ｙ２≧０．３０）からなる第１障壁層と、Ｉｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（０≦ｘ３≦０．３、０≦ｙ３≦０．１、ｘ３＋ｙ３≦０．３）からなる第２障壁層とを含み、前記第２障壁層、前記井戸層、前記第１障壁層とがこの順に繰り返し形成された多重量子井戸構造であり、
前記井戸層のＩｎ混晶比ｘ１は、該井戸層において５３０ｎｍ以上の波長の光を発光するように設定され、
前記井戸層は前記第２障壁層上に形成されたことを特徴とする。
このように、本発明に係る第２の発光素子では、前記井戸層のＩｎ混晶比ｘ１は、該井戸層において５３０ｎｍ以上の波長の光を発光するように設定されている。
【０００９】
以上の本発明に係る第１と第２の発光素子は、第１障壁層のＡｌ混晶比ｙ２が０．１５以上に設定されているので、特に黄色領域又はそれ以上の長波長の光を発光する素子の発光出力を向上させることができる。
また、本発明に係る第１と第２の発光素子において、前記活性層は、Ｉｎ _x3 Ａｌ _y3 Ｇａ _1-x3-y3 Ｎ（０≦ｘ３≦０．３、０≦ｙ３≦０．１、ｘ３＋ｙ３≦０．３）からなる第２障壁層を含むので、その上に形成される井戸層の結晶性を向上させることができる。
尚、本発明に係る第１と第２の発光素子において、前記井戸層は隣接する層から拡散されたＡｌを含んでいてもよい。
また、本発明に係る第１と第２の発光素子において、前記第１障壁層は隣接する層から拡散されたＩｎを含んでいてもよい。
【００１０】
本発明に係る第１と第２の発光素子では、前記活性層において、前記第２障壁層を最上層に有することが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る第１と第２の発光素子において、第２障壁層をＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．３）からなる３元混晶あるいはｘ３＝０に相当するＧａＮからなる２元混晶とすることがさらに好ましく、これにより、井戸層との格子定数差による結晶欠陥を低減しつつかつＩｎの高混晶化に伴う第２障壁層自体の結晶性の劣化を抑制することができ、井戸層の結晶性をより向上させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る発光素子は、前記第２障壁層、前記井戸層、前記第１障壁層を含むことによりＩｎの混晶比が大きい場合においても、前記活性層を結晶性よく形成することができるため、多重量子井戸構造を有する活性層により適している。
【００１３】
また、本発明に係る第１と第２の発光素子において、前記ｎ型半導体層はキャリアを前記活性層に閉じ込めるためのｎ型クラッド層を有しかつ前記ｐ型半導体層はキャリアを前記活性層に閉じ込めるためのｐ型クラッド層を有してなり、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるｎ側第２クラッド層を有し、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるｐ側第２クラッド層を有することが好ましい。
このように構成された発光素子において、前記ｎ側第２クラッド層及び前記ｐ側第２クラッド層は、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との格子定数の違いに起因して前記活性層に生じる結晶性の悪化及び不要な歪の発生等を防止することができるので、発光出力を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に本発明を発光ダイオードに適用した実施の形態１の構造を模式的に示す。本実施の形態１の発光ダイオードは、基板１０１上にバッファ層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、ｎ型クラッド層１０５、活性層１０６、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型コンタクト層１０８が順に積層され、ｎ型コンタクト層１０４およびｐ型コンタクト層１０８にはそれぞれｎ電極１１１およびｐ電極１１２が形成されて構成される。
【００１５】
基板１０１は所望の窒化物半導体層（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）を成長させるためのものであり、適宜選択される。バッファ層１０２は、基板１０１と窒化物半導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）との格子定数不正を緩和するために形成される層である。アンドープＧａＮ層１０３は、その上に成長させるｎ型コンタクト層１０４の結晶性を良好にするための層である。ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ電極１１１とオーミック接触を実現させるための層である。ｎ型クラッド層１０５は、キャリアを活性層１０６に閉じ込めるための層である。活性層１０６は、発光を行う層である。ｐ型クラッド層１０７は、ｎ型クラッド層１０５と同じくキャリアを活性層１０６に閉じ込めるための層である。ｐ型コンタクト層１０８はｐ電極１１２とオーミック接触を実現させるための層である。
【００１６】
上記発光素子の基板１０１、バッファ層１０２、アンドープＧａＮ層１０３はその上の各層が形成されたのち、発光出力の向上や光の内部吸収の低減等を目的にエッチング等を用いて選択的に適宜取り除いてもよい。尚、本明細書においては、各層の成長方向を上として説明する。従って、本実施の形態１ではｎ型半導体層から見てｐ型半導体層方向が上となる。
【００１７】
以下に本発明に係る実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオードにおける各構成要素について詳細に説明する。
【００１８】
基板１０１にはＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、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１０１の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板１０１を用いることができる。
【００１９】
バッファ層１０２は基板１０１と窒化物半導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）との格子定数不正を緩和するために形成される層であり、たとえばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができる。バッファ層１０２は好ましくは９００℃以下の温度で成長させて、膜厚１０Å〜５００Åに形成される。
【００２０】
アンドープＧａＮ層１０３は、不純物を添加せずに成長させるＧａＮ層であり、本実施の形態１のようにバッファ層１０２上にさらにアンドープＧａＮ層１０３を成長させると、そのアンドープＧａＮ層１０３の上に成長させるｎ型コンタクト層１０４の結晶性を良好にできる。
【００２１】
ｎ型コンタクト層１０４はＳｉ等のｎ型不純物が、通常、３×１０¹⁸／ｃｍ²以上、好ましくは５×１０¹⁸／ｃｍ²以上の濃度にドープされてなる。ｎ型コンタクト層１０４の組成は、Ｉｎ_x5Ａｌ_y5Ｇａ_1-x5-y5Ｎ（０≦ｘ５、０≦ｙ５、ｘ５＋ｙ５≦１）で構成でき、本発明はその組成により限定されるものではないが、ＧａＮ又は、y値０．２以下のＡｌyＧａ1-yＮとすることが好ましく、これにより結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られる。ｎ型コンタクト層１０４の膜厚は、以下の範囲に限定されるものではないが、ｎ電極１１１を形成する層であるので０．１〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍ、より好ましくは１〜５μｍに設定する。
【００２２】
次に、ｎ型クラッド層１０５は、アンドープのｎ型クラッド第１層、ｎ型不純物ドープのｎ型クラッド第２層、アンドープのｎ型クラッド第３層の少なくとも３層から構成することが好ましい。また、ｎ型クラッド層１０５は上記第１層〜第３層以外のその他の層をさらに有していてもよい。またｎ型クラッド層１０５は、活性層１０６と接していても、活性層１０６の間に他の層を有していてもよい。
【００２３】
これらｎ型クラッド第１層〜第３層を構成する窒化物半導体としては、（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができるが、ＧａＮからなる半導体を用いることが好ましい。またｎ型クラッド層１０５の第１〜第３の各層は組成が互いに同一であっても異なっていてもよい。ｎ型クラッド層１０５の膜厚は、特に以下の範囲に限定されるものではないが、好ましくは１７５〜１２０００Å、より好ましくは１０００〜１００００Å、よりいっそう好ましくは２０００〜６０００Åである。ｎ型クラッド層１０５の膜厚が上記範囲であるとＶｆの最適化が図れかつ静電耐圧を向上させることができる。
【００２４】
上記範囲の膜厚を有するクラッド層の膜厚の調整は、ｎ型クラッド第１層、第２層、及び第３層の各膜厚を適宜調整して、ｎ型クラッド層１０５の総膜厚を上記の範囲とすることが好ましい。上記ｎ型クラッド層１０５を構成する各層の組成は、（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）で表される組成の半導体から選択することができるが、好ましくはＩｎ及びＡｌの割合が小さい組成とし、より好ましくはＧａＮからなる層とする。
【００２５】
また、本実施の形態１において、ｎ型クラッド層１０５上には図２に示す単一量子井戸構造の活性層１０６が形成される。活性層１０６は、井戸層１２の下に形成される第２障壁層１１と、キャリアの再結合により発光を行う井戸層１２と、井戸層１２の上に形成される第１障壁層１３とを有してなり、第１障壁層１３の上にはさらにｐ型クラッド層１０７を結晶性よく成長させるための最上部層１４が形成される。
【００２６】
第２障壁層１１は、たとえばインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および窒素（Ｎ）の２種以上からなる一般式Ｉｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（０≦ｘ３、０≦ｙ３、ｘ３＋ｙ３≦０．１）で表される窒化物半導体から構成される。この第２障壁層１１は、次に形成される黄色領域の波長の発光を行うために必要なＩｎの混晶比の大きい窒化物半導体からなる井戸層１２の結晶性を良好とするように、ＩｎあるいはＡｌの混晶比ｘ３、ｙ３をｘ３≦０．３、ｙ３≦０．１でかつｘ３＋ｙ３≦０．３とすることが好ましい。特に、Ｉｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（ｘ３≦０．３）の３元混晶あるいはＧａＮからなる２元混晶とすることが、第２障壁層１１と井戸層１２との格子定数差に起因する結晶欠陥を低減しつつかつＩｎの高混晶化に伴う下部障壁１１層自体の結晶性の劣化を抑制することができ、その上に形成される井戸層１２の結晶性をより向上させることができることからより好ましい。膜厚は１０Å以上１００Å以下とすることが、井戸層１２を結晶性良く成長させる上で好ましい。
【００２７】
井戸層１２は、たとえばインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および窒素ＮからなるＩｎ_x1Ａｌ_y1Ｇａ_1-x1-y1Ｎ（ｘ１＞０、ｙ１≧０、ｘ１＋ｙ１≦１）から構成される。インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の混晶比は、黄色の発光として有効な波長領域であるλdが５５０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲あるいはそれ以上の長波長域に発光のピーク波長λdが得られるように決定される。特に、井戸層１２のインジウム（Ｉｎ）の混晶比ｘ１がｘ１≧０．６とすることによって黄色として好ましい発光波長が得られる。
【００２８】
しかし、Ｉｎの混晶比ｘ１を大きくするにしたがい、格子定数が大きくなることから、他の層との格子不整合が大きくなる。このため井戸層１２はその井戸層１２との格子定数差が比較的小さく、かつ結晶性のよい結晶からなる層上に形成する必要がある。本発明では、上述した第２障壁層１１との組み合わせで井戸層１２を形成しているので、井戸層１２を結晶性良く形成することができ、さらにその結晶性の良い井戸層１２上には、その井戸層１２とは格子定数差が大きい結晶からなる層であっても結晶性よく形成することが可能になる。また、井戸層１２はＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎの３元混晶、あるいはＩｎＮの２元混晶として構成することが、結晶性良く成長させる上より好ましい。井戸層１２の膜厚は１０Å以上１００Å以下とすることが好ましい。
【００２９】
第１障壁層１３は、たとえばインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および窒素ＮからなるＩｎ_x2Ａｌ_y2Ｇａ_1-x2-y2Ｎ（ｘ２≧０、ｙ２＞０、ｘ２＋ｙ２≦１）から構成される。この第１障壁層１３は、アルミニウム（Ａｌ）を必須の構成要素としており、それにより井戸層１２において発光される黄色領域波長の発光出力を向上させることができる。また、上述の組成とすることにより、第１障壁層１３の上に形成される最上部層１４の結晶性を向上することができる。さらに第１障壁層１３はＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎの３元混晶として構成することが結晶性をより良好にする上で好ましい。また、より好ましくはＡｌの混晶比ｙ２≧０．１とし、さらに好ましくはｙ２≧０．１５とする。また、本発明において、第１障壁層１３のバンドギャップエネルギーは第２障壁層１１よりも大きくすることが好ましい。第１障壁層１３の膜厚は１０Å以上１００Å以下することが好ましい。
【００３０】
最上部層１４は、たとえばインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および窒素ＮからなるＩｎ_x4Ａｌ_y4Ｇａ_1-x4-y4Ｎ（０≦ｘ４、０≦ｙ４、ｘ４＋ｙ４≦０．１）から構成される。この最上部層１４は、次に形成されるｐ型クラッド層を結晶性よく成長させるために、ＩｎあるいはＡｌの混晶比ｘ４、ｙ４を０≦ｘ４、ｙ４≦０．１でかつｘ４＋ｙ４≦０．１に設定することが好ましい。さらに、Ａｌ_y4Ｇａ_1-y4Ｎの３元混晶あるいはＧａＮからなる２元混晶とすることが、その上に形成されるｐ型クラッド層１０７を結晶性よく成長させる上でより好ましい。膜厚は１０Å以上１００Å以下とすることが好ましい。また、この最上部層１４は第２障壁層１１と同じ構成としてもよい。
【００３１】
以上説明した活性層１０６の各層は、不純物を含まないアンドープ層、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープしたｎ型ドープ層や、Ｍｇなどのｐ型不純物をドープしたｐ型ドープ層のうちから適宜選択して構成することができる。
【００３２】
本実施の形態１では、活性層１０６を、ｎ型クラッド層１０５上に第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３、最上部層１４を順に形成することにより構成した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、活性層１０６に代えて、図３に示すように、第１障壁層１３、第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３、最上部層１４を順に形成された活性層１０６ａを用いて構成してもよい。このように井戸層１２のｎ型クラッド層１０５側に、第２障壁層１１よりもバンドギャップエネルギーの大きい第１障壁層１３を形成することで、井戸層１２へのキャリアをより効果的に閉じ込めることができる。
【００３３】
また、第１障壁層１３とｐ型クラッド層１０７との格子整合がとれる範囲であれば、活性層１０６に代えて、図４に示すように、最上部層１４を省略した活性層１０６ｂを用いて構成することもできる。もちろん、活性層を第１障壁層１３、第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３として構成することも可能である。
すなわち、本発明は少なくとも１つの井戸層の上にＡｌを含む第１障壁層１３を備えていればよく、その最小限の条件を満足するようにして種々の変形が可能である。
【００３４】
活性層１０６上にはｐ型クラッド層１０７が形成される。ｐ型クラッド層１０７は、バンドギャップエネルギーの大きなｐ型クラッド第１層と、ｐ型クラッド第１層よりもバンドギャップエネルギーの小さなｐ型クラッド第２層とを積層することにより多層膜としても良いし、ｐ型不純物を含有するＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）からなる単一層としてもよい。また、多層膜とする場合、ｐ型クラッド第１層とｐ型クラッド第２層とは互いにｐ型不純物濃度が異なっていてもよいし、同一であってもよい。
【００３５】
次に、まず、ｐ型クラッド層１０７を多層膜構造（超格子構造）とした場合について詳細に説明する。
【００３６】
多層膜であるｐ側クラッド層１０７を構成するｐ型クラッド第１層及びｐ型クラッド第２層の膜厚は、１００Å以下、さらに好ましくは７０Å以下、最も好ましくは１０〜４０Åの膜厚に調整され、ｐ型クラッド第１層とｐ型クラッド第２層の膜厚は、互いに同一でも異なっていてもよい。多層膜構造の各膜厚を上記範囲に設定すると、各窒化物半導体層が弾性臨界膜厚以下となり、厚膜で成長させる場合に比較して結晶性の良い窒化物半導体層を成長させることができ、また窒化物半導体層の結晶性を良くすることができるので、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ｐ型層が得られ、素子のＶｆ、閾値を低下させることができる。このような膜厚を有する２種類の層を１ペアとして複数回積層して多層膜層を形成する。そして、ｐ型多層膜クラッド層の総膜厚の調整は、このｐ型クラッド第１層、ｐ型クラッド第２層の各膜厚を調整し積層回数を調整することにより行う。ｐ型多層膜クラッド層の総膜厚は、特に限定されないが、２０００Å以下、好ましくは１０００Å以下、より好ましくは５００Å以下である。
【００３７】
ｐ型クラッド第１層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_nＧａ_1-nＮ（０＜ｎ≦１）を成長させることが望ましく、ｐ型クラッド第２層は好ましくはＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、Ｉｎ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
【００３８】
ｐ型クラッド層１０７のｐ型クラッド第１層、ｐ型クラッド第２層とのｐ型不純物濃度は異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。ｎ型クラッド層１０５と同様に、バンドギャップエネルギーの大きなｐ型クラッド第１層の方のｐ型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さなｐ型クラッド第２層のｐ型不純物濃度を小さくすることが好ましい。また、バンドギャップの小さなｐ型クラッド第２層は、アンドープとすることが好ましい。しかしながら、本発明は上述の構成に限定されるものではなく、バンドギャップエネルギーの大きなｐ型クラッド第１層のｐ型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さなｐ型クラッド第２層のｐ型不純物濃度を大きくしても良い。
【００３９】
ｐ型クラッド第１層への好ましいドープ量としては１×１０¹⁸／cm³〜１×１０²¹／cm³、さらに好ましくは１×１０¹⁹／cm³〜５×１０²⁰／cm³の範囲に調整する。１×１０¹⁸／cm³よりも少ないと、キャリア濃度が小さくなり、また１×１０²¹／cm³よりも多いと、結晶性が悪くなるからである。一方、ｐ型クラッド第２層のｐ型不純物濃度は、ｐ型クラッド第１層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少なくすることが望ましい。ｐ型クラッド第２層は、移動度を高くするためには、アンドープとすることが最も好ましい。しかしながら、ｐ型クラッド第２層は、膜厚が薄いため、ｐ型クラッド第１層側から拡散してくるｐ型不純物があり、ｐ型クラッド第２層のｐ型不純物濃度は、拡散されたｐ型不純物を含めて、１×１０²⁰／cm³以下でかつｐ型クラッド第１層より小さくすることが望ましい。また、バンドギャップエネルギーが大きいｐ型クラッド第１層にｐ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さいｐ型クラッド第２層にｐ型不純物を多くドープする場合も同様である。
【００４０】
ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。
【００４１】
さらにまた多層膜であるｐ型クラッド層１０７を構成する各窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい（好ましくはアンドープ）とすることが、抵抗率を低下させるのに望ましい。
【００４２】
次に、ｐ型クラッド層１０７を、ｐ型不純物を含みＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）よりなる単一層により構成する場合について説明する。ｐ側クラッド層１０７の膜厚は、２０００Å以下、好ましくは１０００Å以下、より好ましくは１００〜５００Åに設定する。
【００４３】
また、単一膜層のｐ型クラッド層１０７は、前記多層膜構造のｐ型クラッド層１０７に比べ、結晶性はやや劣るものの、多層膜構造を有するｎ型クラッド層１０５と組み合わせることにより、結晶性良く成長させることができる。更に、このように単一膜としてもその他の層構成と組み合わせにより素子の性能の低下を少なくでき、しかも単一膜であるので、製造工程の簡易化が可能となり、量産には適している。
【００４４】
単一層のｐ型クラッド層１０７のｐ型不純物の濃度は１×１０¹⁸〜１×１０²¹／cm³、好ましくは５×１０¹⁸〜５×１０²⁰／cm³、より好ましくは５×１０¹⁹〜１×１０²⁰／cm³に設定する。不純物濃度が上記範囲であると、良好なｐ型膜ができ好ましい。
【００４５】
次に、本発明において、ｐ型コンタクト層１０８は、Ｍｇドープとし、その組成をＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶の窒化物半導体であるＧａＮとすることが好ましい。仮にＩｎ、Ａｌを含有していると、ｐ電極１１２と良好なオーミック接触が得られなくなり、発光効率が低下する。ｐ側コンタクト層１０８の膜厚は、０．００１μｍ〜０．５μｍ、好ましくは０．０１μｍ〜０．３μｍ、より好ましくは０．０５μｍ〜０．２μｍである。膜厚が０．００１μｍよりも薄いとｐ電極１１２がｐ型ＧａＡｌＮクラッド層と電気的に短絡しやすくなり、ｐ側コンタクト層１０８のコンタクト層としての機能が低下する。また、三元混晶のＧａＡｌＮクラッド層の上に、組成の異なる二元混晶のＧａＮコンタクト層を積層するため、その膜厚を０．５μｍよりも厚くすると、結晶間のミスフィットによる格子欠陥がｐ側ＧａＮコンタクト層９中に発生しやすく、結晶性が低下する傾向にある。なお、発光効率の点から言えば、コンタクト層の膜厚は薄いほどＶｆを低下させ発光効率を向上させることができる。また、このｐ型ＧａＮコンタクト層９のｐ型不純物はＭｇであることが好ましく、これによりｐ型特性が得られ易く、またオーミック接触が得られ易くなる。Ｍｇの濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０²¹／cm³、好ましくは５×１０¹⁹〜３×１０²⁰／cm³、より好ましくは１×１０²⁰／cm³程度に設定する。
【００４６】
また、ｐ型コンタクト層１０８を、アンドープＧａＮからなるｐ型コンタクト第１層とＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト第２層から形成してもよい。
【００４７】
ｎ電極１１１はｎ型コンタクト層１０４上に、ｐ電極１１２はＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層９上にそれぞれ形成されている。本発明は、ｎ電極１１１及びｐ電極１１２の材料により特に限定されるものではないが、例えばｎ電極１１１としてはＷ／Ａｌ、ｐ電極１１２としてはＮｉ／Ａｕなどを用いることができる。
【００４８】
以上の実施の形態１の発光ダイオードは、活性層１６において、井戸層の上に第１障壁層が形成されているので、井戸層にキャリアをより効果的に閉じ込めることができ、発光効率を向上させることができる。
【００４９】
実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２の発光ダイオードについて説明する。
本発明は、上述したように、井戸層１２および第１障壁層１３の上に形成される層の結晶性を向上させることができるため、多重量子井戸構造に好適である。すなわち、本発明に係る実施の形態２の発光素子は、実施の形態１の発光素子における活性層１０６に代えて、図５に示す多重量子井戸構造の活性層１０６ｃを用いて構成した発光ダイオードであり、それ以外は実施の形態１と同様に構成される。
本実施の形態２の発光素子において、多重量子井戸構造の活性層１０６ｃは、図５に示すように、第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３がこの順に繰り返し形成されている。この場合、最も上部の第１障壁層１３が形成されたあと、最上部層１４が形成される。ここで、活性層１０６ｃにおいて、第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３および最上部層１４は、実施の形態１と同様に構成される。
【００５０】
このように構成された実施の形態２の発光素子は、以下のような優れた特徴を有する。
すなわち、Ａｌを含む第１障壁層１３を有していない従来の黄色発光素子においては、活性層を複数の井戸層を有する多重量子井戸構造にすることによって結晶性の劣化が顕著となり発光出力が低下していた。
しかしながら、本発明のＡｌを必須とする第１障壁層１３を有する黄色発光素子においては、井戸層１２を複数とした多重量子井戸構造にすることによって、従来とは逆に発光出力を向上させることができる。
【００５１】
ここでは、ｎ型クラッド層１０５上に、第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３がこの順に繰り返し形成され、最後に最上部層１４を形成する場合を示した。しかしながら、本発明では図６に示すようにｎ型クラッド層１０５上にまず第１障壁層１３を形成したのち、図５と同様にして第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３をこの順に繰り返し形成し、最後に最上部層１４を形成してなる活性層１０６ｄを用いて構成してもよい。このように最初の井戸層１２のｎ型クラッド層１０５側において、第２障壁層１１よりもバンドギャップエネルギーの大きい第１障壁層１３を形成することで、最初の井戸層１２へのキャリアをより効果的に閉じ込めることができる。
【００５２】
また、第１障壁層１３とｐ型クラッド層１０７との格子整合がとれる範囲であれば、図７に示すように、図６の活性層１０６ｄにおいて最上部層１４を省略することができる。尚、このようにして構成した活性層を、図７では１０６ｅの符号を付して示している。もちろん、ｎ型クラッド層１０５上にまず第１障壁層１３を形成したのち同様に第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３が順次繰り返し形成された活性層１０６ｄの最上部層１４を省略することもできる。
【００５３】
以上のように本発明に係る発光素子では、少なくとも１つの井戸層の上にＡｌを含む第１障壁層を形成するという、最小限の条件を条件を満たした上で種々の変形が可能である。
従って、本発明は、次に説明するようにレーザ素子に適用することもできる。
【００５４】
実施の形態３．
以下、本発明をレーザ素子に適用した本発明に係る実施の形態３の発光素子について説明する。
図８に、本実施の形態３の発光素子である窒化物半導体レーザ素子の構成を模式的に示す。
本実施の形態３の窒化物半導体レーザ素子は、基板２０１上にバッファ層２０２、ｎ型コンタクト層２０３、ｎ型クラッド層２０４、ｎ型光ガイド層２０５、活性層２０６、ｐ型光ガイド層２０７、ｐ型クラッド層２０８、ｐ型コンタクト層２０９が順に積層され、ｎ型コンタクト層２０４およびｐ型コンタクト層２０８にはそれぞれｎ電極２１１およびｐ電極２１２が形成されている。
【００５５】
基板２０１、バッファ層２０２、ｎ型コンタクト層２０３およびｎ型クラッド層は２０４は、実施の形態１、２と同様に構成される。ここで、本実施の形態３では、バッファ層２０２とｎ型コンタクト層２０３の間に、実施の形態１、２と同様、アンドープＧａＮ層を形成してもよい。
【００５６】
ｎ型光ガイド層２０５は、活性層２０６とともに光導波路を構成するものである。したがって、ｎ型光ガイド層２０５は活性層２０６と屈折率差が小さく、ｎ型クラッド層２０４と十分屈折率差が設けられる組成として構成される。
【００５７】
本実施の形態３において、活性層２０６は、実施の形態１と同様に構成される。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、実施の形態２と同様の多重量子井戸構造としてもよく、多重量子井戸構造にすると高出力化を実現することができる。
【００５８】
ｐ型光ガイド層２０７は、ｎ型光ガイド層１０５と同様、活性層２０６とともに光導波路を構成するものである。したがって、ｐ型光ガイド層２０７は活性層２０６と屈折率差が小さく、ｐ型クラッド層２０８と十分屈折率差が設けられる組成として構成される。
【００５９】
ｐ型クラッド層２０８およびｐ型コンタクト層２０９は、実施の形態１、２と同様に構成されるが、レーザの場合ｐ型クラッド層２０８およびｐ型コンタクト層２０９はｐ型光ガイド層２０７の境界面付近までエッチングを行い、幅１．５μmのストライプ状の導波路を形成する。このように、活性層２０６よりも上部にある層において、ストライプ状のリッジ（ストライプリッジ）を形状することによって、活性層２０６の発光がストライプリッジの下に集中することになって閾値を低下させることができる。特にｐ型クラッド層以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
【００６０】
ｎ電極２１１およびｐ電極２１２は、実施の形態１、２と同様に構成され、さらに、レーザの外面は絶縁膜２３０が形成される。
【００６１】
以上のように構成された実施の形態３の窒化物半導体レーザ素子は、実施の形態１及び２と同様、井戸層の上にＡｌを含む第１障壁層を有しているので、閾値を低くすることができる。
【００６２】
実施の形態４．
本発明に係る実施の形態４の発光素子（発光ダイオード）は、図１３に示すように、実施の形態１の発光ダイオードにおいて、活性層１０６に代えて、詳細後述する活性層１０６ｆを有しかつその活性層１０６ｆとｎ型クラッド層１０５の間にｎ型多層膜１０５ａをさらに備えた以外は、実施の形態１の発光ダイオードと同様に構成される。
尚、図１３において、実施の形態１と同様のものには同様の符号を付して示している。
【００６３】
本実施の形態４の発光素子において、活性層１０６ｆは、図１９に示すように、ｎ型多層膜１０５ａの上に、第２障壁層１１、井戸層１２及び第１障壁層１３をこの順に複数回繰り返し、最後（最上層）に第２障壁層１１を形成することにより構成している。
そして、本実施の形態４では、特に第１障壁層１３の組成をＡｌ_ZＧａ_1-ZＮにおいてＡｌの混晶比を０．３０以上とすることにより、この第１障壁層１３を設ける効果がさらに顕著に現れるようにしたことを特徴としている。
すなわち、本実施の形態４は、本発明において、第１障壁層１３を設けることの効果は、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０．３０≦Ｚ≦１）で表される第１障壁層１３を成長させた後、第２障壁層１１の成長温度まで温度を上昇させたときにより顕著に表れることを見出しＬＥＤ素子に適用したものである。
【００６４】
また、この第１の障壁層１３を設けることにより得られる効果は、以下に説明するように第１障壁層１３の表面形態と大きな関連があることもわかった。
図１４〜図１７は第１障壁層１３を８２０℃で形成後、温度を１０５０℃まで昇温した際の第１障壁層１３の表面形態をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察したものである。図１４はＡｌの混晶比Ｚ＝０．１５、図１５はＺ＝０．３０、図１６はＺ＝０．４５、図１７はＺ＝０．６０であり、図を見てもわかるようにＡｌの混晶比がＺ≧０．３０になると、第１障壁層１３は表面が陥没または層を貫通する複数の領域を有する網目構造となる。これは第１障壁層１３であるＡｌＧａＮを低温で形成しているため、このＡｌＧａＮの結晶性および膜厚が不均一であり、第１障壁層１３を成長後、第２障壁層１１の成長温度まで温度を上昇させたとき、ＡｌＧａＮの結晶性の悪いところまたは膜厚の薄いところで井戸層１２の一部のＩｎが分解してしまい、第１障壁層１３の表面が陥没または層が貫通し、井戸層１２の表面の一部などが露出したものである。さらにこの陥没または貫通した領域は第１障壁層１３の表面積の１割以上となるＡｌ混晶比Ｚが０．３０以上の時、駆動電圧が大きく低下させることがわかった。この結果を図１８のグラフに示す。図１８のグラフは、本発明の窒化物半導体ＬＥＤ素子におけるＡｌ混晶比に対する駆動電圧の変化を示すものである。
【００６５】
なお、本発明の実施の形態４における活性層の各層の好ましい膜厚等は実施の形態１と同様である。
【００６６】
尚、本実施の形態４では、多重量子井戸構造について説明するが、この活性層１０６ｆの効果は単一量子井戸の場合であっても同様に得られる。
【００６７】
本実施の形態４の活性層１０６ｆにおいて、第１障壁層１３のバンドギャップエネルギーは、図２０に示すように第２障壁層１１のバンドギャップエネルギーより大きく設定されかつ、第１障壁層１３はかならず井戸層１２を形成した後、井戸層１２に接して形成されている。
なお、本実施の形態４では、最も好ましい例として、第１障壁層１３を全ての井戸層１２の上にそれぞれ形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、井戸層１２と第２障壁層１１の間の少なくとも１箇所に第１障壁層１３を含んでいればよい。
【００６８】
また、第１障壁層１３の膜厚は第２障壁層１１の膜厚より薄く、一原子層以上１００オングストローム以下とすることが好ましい。１００オングストロームより厚くなると、第１障壁層１３と井戸層１２との間でミニバンドが形成されてしまい発光効率が悪くなってしまうからである。従って、この第１障壁層１３はできるだけ薄いことが望ましい。
【００６９】
また、第２障壁層１１の膜厚は１０オングストローム以上４００オングストローム以下とすることができ、また井戸層１２の膜厚は１０オングストローム以上７０オングストローム以下にすることが好ましい。
【００７０】
また、本実施の形態４において、多層膜第２クラッド層１０５ａは、例えば、アンドープＧａＮ層とアンドープＩｎＧａＮ層からなる超格子構造のアンドープ層であり、発光出力を高くする目的で形成される。
ｎ型クラッド層１０５は、実施の形態１と同様に構成することにより、静電耐圧を向上させることができる。
このように、実施の形態４では、ｎ側のクラッド層を、ｎ型クラッド層１０５と多層膜第２クラッド層１０５ａによって構成することにより、発光出力を高くでき、かつ静電耐圧を向上させることができる。
【００７１】
以上説明したように、本実施の形態４の発光ダイオードは、活性層１０６ｆにおいて、第２障壁層よりバンドギャップの大きいＡｌを比較的多く含む第１障壁層を設けることにより、駆動電圧を下げることができ、ｎ側のクラッド層を、ｎ型クラッド層１０５とｎ型第２クラッド層１０５ａによって構成することにより、発光出力を高くでき、かつ静電耐圧を向上させることができる。
【００７２】
以上の実施の形態４では、窒化物半導体ＬＥＤ素子を例に説明したが、本発明はＬＥＤ素子に限られるものではなく、窒化物半導体レーザ素子に適用して同様の効果が得られる。
【００７３】
実施の形態５．
次に、本発明に係る実施の形態５の発光ダイオードについて説明する。
本実施の形態５の発光ダイオードは、図２１に示すように、実施の形態２の発光ダイオードにおいてさらに、ｎ型クラッド層１０５と活性層１０６ｃの間にＩｎを含む窒化物半導体からなるｎ側第２クラッド層２１を形成し、ｐ型クラッド層１０７と活性層１０６ｃの間にＩｎを含む窒化物半導体からなるｐ側第２クラッド層２２を形成した以外は、実施の形態２の発光ダイオードと同様に構成される。
【００７４】
この実施の形態５において、ｎ側第２クラッド層２１及びｐ側第２クラッド層２２は、図２１に示すように活性層１０６ｃの両側に形成され、ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１０７との格子定数の違いに起因して活性層１０６ｃに生じる結晶性の悪化及び不要な歪の発生等を防止している。
従って、ｎ側第２クラッド層２１及びｐ側第２クラッド層２２は、ｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１０７との間で格子定数の差がより大きい比較的Ｉｎの比率が高い活性層を形成する場合に特に効果的である。
【００７５】
より具体的に説明すると、ｎ側第２クラッド層２１は、井戸層１２を成長させるときに、Ｉｎが均一になるように成長させるように作用し、これにより井戸層における組成のゆらぎを低減させる効果がある。これにより、特に、Ｉｎを比較的多く含む必要がある高混晶の井戸層を含む活性層を有する発光素子の発光出力の低下を防止することができる。この効果は、Ｉｎの比率が比較的高い高混晶の井戸層１２を繰り返し形成する必要がある多重量子井戸構造の活性層１０６ｃを成長させるときに特に顕著である。
ここで、ｎ側第２クラッド層２１は、Ｉｎを含む一般式Ｉｎ_x6Ｇａ_1-x6Ｎで表される窒化物半導体で構成することができ、上述の作用をより効果的に発揮させるために、ｘ６は、０．００２５≦ｘ６≦０．１の範囲に設定することが好ましく、膜厚は、１０００Å〜５０００Åの範囲に設定することが好ましい。
【００７６】
また、ｐ側第２クラッド層２２は、活性層１０６ｃの上にｐ型クラッド層１０７を形成した時に、活性層１０６ｃとｐ型クラッド層１０７との格子定数の差に起因して、活性層の井戸層に不要な歪が生じるのを緩和する作用がある。この作用により、特に、Ｉｎを比較的く含む必要がある高混晶の井戸層を含む活性層を有する発光素子の発光出力の低下を防止することができる。この効果は、Ｉｎの比率が比較的高い高混晶の井戸層１２を繰り返し形成する必要がある多重量子井戸構造の活性層１０６ｃを成長させるときに特に顕著である。
ここで、ｐ側第２クラッド層２１は、Ｉｎを含む一般式Ｉｎ_x7Ｇａ_1-x7Ｎで表される窒化物半導体で構成することができ、上述の作用をより効果的に発揮させるために、ｘ７は、０．００５≦ｘ７≦０．１の範囲に設定することが好ましく、膜厚は、１００Å〜１０００Åの範囲に設定することが好ましい。
【００７７】
図２３は、本発明に係る実施の形態５の発光ダイオードの波長λｄ（ｎｍ）に対する発光出力Ｐｏ（ｍＷ）を表すグラフであり、従来の発光ダイオードと比較して示している。
図２３のグラフから明らかなように、本実施の形態５の構成によれば、５３５ｎｍ以上の波長領域において、発光出力の低下を防止できる。
ここで、本発明の発光ダイオード及び従来の発光ダイオードはそれぞれ、以下のように構成された素子を用いて評価した。
【００７８】
本願発明の発光ダイオードの層構成は、
（１）バッファ層１０２；アンドープＡｌ_xＧａ_1-xＮ，１００Å、
（２）アンドープＧａＮ層１０３；ＧａＮ，１．５μｍ、
（３）ｎ型コンタクト層１０４；ＳｉドープＧａＮ，４．１６５μｍ、
（４）ｎ型クラッド層１０５；アンドープＧａＮ（３０００Å）／ＳｉドープＧａＮ（３００Å）／アンドープＧａＮ（５０Å）の３層構造、
（５）ｎ側第２クラッド層２１；Ｉｎ_0.005Ｇａ_0.995Ｎ，３５００Å、
（６）活性層１０６ｃ；（ＧａＮからなる第２障壁層７０Å／ＩｎＧａＮからなる井戸層３０Å／ＡｌＧａＮからなる第１障壁層４０Å）×４サイクル＋ＧａＮからなる最上部層７０Å、
（７）ｐ側第２クラッド層２２；ＭｇドープＩｎ_0.014Ｇａ_0.986Ｎ，２００Å、
（８）ｐ型クラッド層１０７；アンドープＡｌ_0.042Ｇａ_0.958Ｎ，２５００Å、
（９）ｐ型コンタクト層１０８；ＭｇドープＧａＮ，１２００Å、
からなる。
【００７９】
従来例の発光ダイオードの層構成は、
（１）バッファ層；アンドープＡｌ_xＧａ_1-xＮ，１００Å、
（２）アンドープＧａＮ層；ＧａＮ，１．５μｍ、
（３）ｎ型コンタクト層；ＳｉドープＧａＮ，４．１６５μｍ、
（４）ｎ型クラッド層；アンドープＧａＮ（３０００Å）／ＳｉドープＧａＮ（３００Å）／アンドープＧａＮ（５０Å）の３層構造、
（５）バッファ超格子層；（ＧａＮ４０Å／Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎ２０Å）×１０＋ＧａＮ４０Å
（６）活性層１０６ｃ；（ＧａＮからなる障壁層２００Å／ＩｎＧａＮからなる井戸層３０Å）×４サイクル＋ＧａＮからなる障壁層２００Å、
（７）ｐ側クラッド層；（ＭｇドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎ：４０Å／ＭｇドープＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ：２５Å）×５＋ＭｇドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎ：４０Å、
（８）アンドープＡｌＧａＮ；アンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ，２８００Å、
（９）ｐ型コンタクト層；ＭｇドープＧａＮ，１２００Å、
からなる。
【００８０】
以上の実施の形態５の発光ダイオードでは、ｎ側第２クラッド層２１の上に、第２障壁層を最初に形成するようにして活性層１０６ｃを形成したが、本発明は、図２２に示すように、ｎ側第２クラッド層２１の上に、第１障壁層を最初に形成するようにした活性層１０６ｄを用いて構成してもよい。
以上のようにしても実施の形態５と同様の作用効果が得られる。
【００８１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
念のために言うが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８２】
（実施例１）
実施例１の素子を作製するにあたって、主表面がＣ面であるサファイア基板を基板１０１として用い、各層は有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ法）により成長が行われ、III族ガス源として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）がそれぞれＧａ，Ｉｎ，Ａｌの原料として用いられ、Ｖ族ガス源として、アンモニア（ＮＨ₃）がＮの原料として用いられている。ｎ型ドーパント源としてモノシラン（ＳｉＨ₄）が、ｐ型ドーパント源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）が各々用いられ、キャリアガスおよび副流ガスとしてＨ₂とＮ₂が用いられる。
まず、ＭＯＣＶＤ装置内にサファイアからなる異種基板１０１をセットし、基板１０１をＨ₂中で基板温度が約１１４０℃になるように加熱し、基板１０１の表面処理を行う。
【００８３】
基板の表面処理した後、基板１０１温度を約５１０℃まで下げ、反応ガスにＴＭＧ、ＮＨ₃を用い、ＧａＮからなるバッファ層１０２を約２００Åの膜厚で基板１０１上に形成する。
【００８４】
バッファ層１０２を形成した後、基板温度を約１１５０℃まで上昇させ、反応ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ₃を用い、アンドープＧａＮ層１０３を約１．５μmの膜厚でバッファ層１０２上に形成する。
【００８５】
さらに、アンドープＧａＮ層１０３を形成した後、反応ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ₃を用い、ドーパントのＳｉ源としてＳｉＨ₄を用い、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０４を約２μmの膜厚で形成する。
【００８６】
次に、ｎ型コンタクト層１０４上にｎ型クラッド層１０５を形成する。ｎ型クラッド層１０５は、ｎ型クラッド第１層、第２層および第３層から構成される。ｎ型クラッド第１層および第３層としてはアンドープＧａＮ層を、反応ガスにＴＭＧ、ＮＨ₃を用いて形成する。ｎ型クラッド第２層についてはＳｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＳｉドープＧａＮ層を、ドーパントのＳｉ源としてＳｉＨ₄をさらに用いて形成する。ｎ型クラッド第１層、第２層および第３層の膜厚は、それぞれ３０００Å、３００Å、５０Åとする。
【００８７】
次に、基板温度を１０００℃まで低下させ、ＴＭＧの代わりに新たにＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約５０ÅのアンドープＧａＮからなる第２障壁層１１がｎ型コンタクト層１０４上に成長される。尚、第２障壁層１１をＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎの３元混晶として形成する場合は、さらにＴＭＡを適宜供給する。
【００８８】
次に、基板温度を７５０℃まで低下させ、ＴＥＧ４．５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎ、さらにＴＭＩ４０ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約３５ÅのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸層１２が第２障壁層１１上に形成される。
【００８９】
そしてその後、基板温度を８００℃に上昇させ、第１障壁層１３を成長させる。ＴＥＧを１８ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎ、さらにＴＭＡ４．５ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約３０ÅのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１障壁層１３を井戸層１２上に成長させる。
【００９０】
上記の第１障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３の成長工程を４回繰り返したのち、最後に、基板温度を１０００℃まで上昇させ、ＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約５０ÅのアンドープＧａＮからなる最上部層１４を最も上の第１障壁層１３上に成長させる。このようにして、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０６を形成する。
【００９１】
次に、最上部層１４を形成した後、同温度にて、反応ガスとしてＴＥＧ、ＮＨ₃、ＴＭＡ、ドーパント源としてＣｐ₂Ｍｇを用い、ＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｐ型クラッド層１０７が約２００Åの膜厚で活性層１０６上に形成される。
次に、９５０℃に温度を下げて、反応ガスとしてＴＭＧ、ＮＨ₃を用い、アンドープＧａＮからなるｐ型コンタクト第１層をクラッド層上に約１３００Åの膜厚で形成させる。
【００９２】
さらに、ｐ型のドーパント源のＣｐ₂Ｍｇを加え、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト第２層を約２００Åの膜厚でｐ型コンタクト第１層上に形成する。
そして、反応装置内をＮ₂で置換し約６００℃の温度にて５分間熱アニーリングを行う。この熱アニーリングによりｐ型クラッド層１０７、ｐ型コンタクト層１０８を高いキャリア濃度のｐ型層に変化させる。
【００９３】
次にｎ電極１１１を形成するため、ｎ型コンタクト層１０４が露出するまでエッチングを行い、エッチングされたウェハ上の所定の位置にｎ電極１１１およびｐ電極１１２をそれぞれ形成する。
【００９４】
このようにして得られたＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸層１０６を有し、発光色が黄色の発光ダイオードは、順方向電流（Ｉｆ）＝２０ｍＡのもとで、発光ピーク波長λd＝５９０ｎｍ、半値幅＝４５ｎｍ、発光出力＝１．８ｍＷ、駆動電圧＝３．２Ｖの測定結果が得られた。
【００９５】
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは、活性層を以下のようにした以外は実施例１と同様である。
すなわち、実施例２では、ｎ型クラッド層１０５形成後、基板温度を１０００℃まで低下させ、ＴＭＧの代わりに新たにＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約５０ÅのアンドープＧａＮからなる第２障壁層１１をｎ型コンタクト層１０４上に成長させる。
【００９６】
次に、基板温度を７５０℃まで低下させ、ＴＥＧ４．５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎ、さらにＴＭＩ４０ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約３５ÅのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸層１２を第２障壁層１１上に成長させる。
【００９７】
そして、基板温度を８００℃に上昇させ、第１障壁層１３を成長させる。ＴＥＧを１８ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎ、さらにＴＭＡ４．５ｃｃ／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約３０ÅのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１障壁層１３を井戸層１２上に成長させる。
【００９８】
その後、基板温度を１０００℃まで上昇させ、ＴＥＧ４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ₃約３リットル／ｍｉｎを供給する。これにより、膜厚約５０ÅのアンドープＧａＮからなる最上部層１４を第１障壁層１３上に成長させる。このようにして、単一井戸構造の活性層１０６を形成する。
【００９９】
最上部層１４形成後は、実施例１と同様に、ｐ型クラッド層１０７以降の層が順次形成される。
【０１００】
以上のようにして作製された実施例２の発光ダイオードは、実施例１と同様の結果が得られた。
【０１０１】
（第１障壁層に関する詳細説明）
次に、多重量子井戸構造を有する実施例１の発光ダイオードにおいて、第１障壁層をＡｌ_y2Ｇａ_1-y2ＮとしたときのＡｌの混晶比を順次変化させた場合について説明する。図９は、この時の混晶比ｙ２に対する駆動電圧Ｖfとの関係を示した図である。尚、ここでいう駆動電圧とは、発光ダイオードを順方向電流Ｉf＝２０ｍＡで駆動させるために必要な駆動電圧をいう。図からわかるように発光素子を電流値２０ｍＡで駆動させるために必要な電圧は、ｙ２＜０．１５では減少傾向にあるが、ｙ２≧０．１５ではほぼ一定値になることがわかる。このことから第１障壁層のＡｌ混晶比増加による駆動電圧の低減への効果は、ｙ２≧０．１５では飽和傾向にあることがわかる。
【０１０２】
次に、図１０に、多重量子井戸構造を有する上記実施例１の発光ダイオードにおける第１障壁層をＡｌ_y2Ｇａ_1-y2ＮとしたときのＡｌの混晶比ｙ２に対する発光出力の関係を示した図である。図からわかるように、ｙ２≧０．１の領域から、発光出力が大きく向上することがわかる。
【０１０３】
一般に、ＡｌＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰのダブルヘテロ構造のレーザダイオードにおけるキャリア閉じ込めに必要なバンドギャップエネルギー差ΔＥｇ（＝Ｅｇ1−Ｅｇ2）は、ΔＥｇ≧０．３ｅＶとされている（光通信素子工学−受光・発光素子−、７２頁８行目〜１４行目（米津宏雄氏著、工学図書株式会社出版）。
【０１０４】
また、特開平６−１６４０５５号公報において、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる井戸層と障壁層（バリア層）を有する半導体レーザも同様に、両者のバンドギャップエネルギー差ΔＥｇは０．３ｅＶ以上とすることが好ましいと記載されている。
【０１０５】
これに対し、本実施例の発光ダイオードのバンドギャップエネルギー差ΔＥｇを
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮとしたときのバンドギャップエネルギーＥgを下式
Ｅg ＝ ３．４ − １．４５ｘ ＋ ２．８ｙ （ｅＶ）
によって近似して概算すると、ＧａＮからなる第２障壁層１１とＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸層１２としたときのΔＥｇは約１．１ｅＶであり、さらにＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸層１２とＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１障壁層１３としたときのΔＥｇに至っては約１．６ｅＶである
レーザダイオードのキャリア閉じ込めは発光ダイオードよりも高密度で行う必要があることから、レーザダイオードに必要なΔＥｇは発光ダイオードに必要なΔＥｇよりも大きいことを考慮すると、本発明の発光ダイオードにおける第２障壁層１１および第１障壁層１３は、井戸層１２に対し、一般に用いられている障壁層に比べて極めて大きなバンドギャップエネルギー差を有していることがわかる。
【０１０６】
第１障壁層１３と井戸層１２の間のΔＥｇは、第１障壁層１３のＡｌの混晶比ｙ２および井戸層１２のＩｎの混晶比ｘ１の値が小さい場合の組み合わせにおいて最小となるが、発光出力の向上に大きな効果が見られる下限値ｙ２＝０．１と、黄色として好ましい発光波長を得るためのＩｎ混晶比ｘ１の下限値ｘ１＝０．６としたｘ１、ｙ２それぞれの下限値の組み合わせにおいてもΔＥｇは約１．２ｅＶと依然極めて大きいことがわかる。さらに、閾値電圧の低減に効果が見られる下限値ｙ２＝０．１５と、黄色として好ましい発光波長を得るためのＩｎ混晶比ｘ１の下限値ｘ１＝０．６としたｘ１、ｙ２それぞれの下限値の組み合わせにおいてもΔＥｇは約１．３ｅＶとさらに大きな値となる。
【０１０７】
Ｉｎの混晶比ｘ１が大きい井戸層１２の上にＡｌの混晶比ｙ２が大きい第１障壁層１３を形成することによって、発光ダイオードの発光出力が大きく向上する理由は、井戸層と障壁層との極めて大きなバンドギャップエネルギー差によるものと考えられる。そこで、我々は、種々の他の要因を取り除いて評価することを目的とし、活性層１０６を第２障壁層１１、井戸層１２および第１障壁層１３を一層ずつ形成した段階のｐ型半導体層のない中間的な素子状態でＰＬ評価を行った。図１１に示す通り、第１障壁層のＡｌの混晶比ｙ2に対するＰＬ発光出力の関係においても、ｙ２の値が０．１２付近から向上が見られた。このことから、本発明の黄色領域の波長の光を発光する窒化物半導体層を有する発光ダイオードの発光出力を向上させるという効果は、井戸層上にＡｌの混晶比ｙ２を高く設定した第１障壁層を形成することによって主に達成されていると考えられる。言い換えれば、活性層における井戸層と障壁層との極めて大きなバンドギャップエネルギー差による効果と言うこともできる。
【０１０８】
さらに、先の特開平６−１６４０５５号公報において、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる井戸層と障壁層（バリア層）を有する半導体レーザの井戸層と障壁層（バリア層）との格子定数差は１％以下であることが好ましいと記載されている。これに対し、井戸層Ｉｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎと第１障壁層Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎのそれぞれの格子定数は３．４０２Å、３．１８１Åであり、井戸層の格子定数に対する第１障壁層の格子定数差の比率は約６．５％となり、特開平６−１６４０５５号公報において好ましいとされる格子定数差１％に比較して極めて大きい値となる。また、井戸層Ｉｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎと第１障壁層Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎのそれぞれの格子定数は３．４０２Å、３．１７４Åであり、その格子定数差の比率は約６．７％となり、さらに大きい値となる。しかしながら、本発明者らは、本発明に係る第２障壁層を設けることによって、その第２障壁層上に形成される井戸層の結晶性をより向上させることができ、その井戸層上に格子定数差の大きい第１障壁層を結晶性よく形成可能であることを見出さした。さらに、その第１障壁層上に再度第２障壁層を形成することによって、結晶性を損なうことなく多重量子井戸構造を形成することが可能となった。また、本発明を別な側面から見れば、井戸層と第１障壁層との大きな格子定数差に起因する格子歪みの効果ということもできる。
【０１０９】
次に、本発明の黄色領域の光を発光する窒化物半導体層を有する発光ダイオードと従来のＡｌＧａＩｎＰからなる発光ダイオードとの温度特性の比較を図１２に示す。図１２中の窒化物半導体層を有する発光ダイオードは、本実施例に示したアンドープＧａＮからなる第２障壁層１１、Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｎからなる井戸層と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１障壁層１３によって多重量子井戸構造として構成される活性層１０６を有する発光ダイオードの例である。図１２の温度特性は、駆動電流Ｉｆ＝２０ｍＡとしたときの発光出力として示されている。図から本発明の窒化物半導体からなる発光ダイオードの方が、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光ダイオードと比較して、高温における発光出力の低下が小さいことがわかる。
【０１１０】
発光ダイオードから構成される信号機などの表示器を屋外で用いる場合、太陽光線が強い状況において、発光ダイオードは視認性上大きな発光出力を確保する必要がある。一般に、太陽光線が強い夏場といった時期あるいは熱帯といった地域においては表示器内の温度が非常に高温となることから、屋外で用いられる表示器では高温にさらされた場合であっても発光出力の低下が小さい発光素子によって構成されることが好ましい。屋外の使用においては表示器内の温度が７５℃に達することも稀ではなく、ＡｌＧａＩｎＰからなる発光ダイオードでは７５℃における発光出力が室温である２５℃の約５０％まで低下するが、本発明の窒化物半導体からなる発光ダイオードでは、７５℃における発光出力が２５℃における発光出力の８０％以上を維持しており、発光出力の低下を抑えることができる。
【０１１１】
このことから、本発明の窒化物半導体からなる発光素子は、同じ黄色領域の光を発光するＡｌＧａＩｎＰからなる発光ダイオードと比較して、優れた温度特性を有していると言える。
【０１１２】
（実施例３）
図１３は本発明の一実施例に係る窒化物半導体ＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。以下、この図を元に実施例３について説明する。なお本発明の発光素子は図１３の構造に限定されるものではない。
（バッファ層２０２）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイア上に公知の方法によって得られたＧａＮ基板１０１（サファイア基板でもよい）をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、ＴＭＧとアンモニアを用い、ＧａＮ基板１０１上にＧａＮよりなるバッファ層１０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１１３】
（アンドープＧａＮ層１０３）
バッファ層１０２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層１０３を１μｍの膜厚で成長させる。
【０１１４】
（ｎ型コンタクト層１０４）
続いて１０５０℃で、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３×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０４を４μｍの膜厚で成長させる。
【０１１５】
（ｎ型クラッド層１０５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる第１層を３０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮからなる第２層を３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる第３層を５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚３３５０オングストロームのｎ型クラッド層１０５を成長させる。
【０１１６】
（ｎ型多層膜層１０５ａ）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第２＋第１の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ型多層膜層１０５ａを６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１１７】
（活性層１０６ｆ）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第２障壁層１１を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層１２を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる第１障壁層１３を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３の３層構造をさらに４回繰り返して積層し、最後に第２障壁層１１を形成して、総膜厚１４００オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６ｆを成長させる。
【０１１８】
（ｐ型クラッド層１０７）
次に、温度１０５０℃で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を５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用いＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第３＋第４の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ型クラッド層１０７を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１１９】
（ｐ型コンタクト層１０８）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０８を７００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２０】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。さらにアニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１０８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、図１３に示すようにｎ型コンタクト層１０４の表面を露出させる。
【０１２１】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層１０８のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ側電極２１０と、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層１０４の表面にはＷとＡｌを含むｎ側電極２１１を形成してＬＥＤ素子とした。
【０１２２】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は３．０Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の第１障壁層１３の表面形態は図１５であった。
【０１２３】
［比較例１］
実施例３と比較するために活性層を以下のようにしてＬＥＤ素子を作製した。（活性層）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにこの障壁層、井戸層を４回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚１３５０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を成長させる。
以上のようにした他は実施例３と同様に作製したところ発光ピークはブロードしており、駆動電圧は３．８Ｖであった。
【０１２４】
（比較例２）
実施例３と比較するために活性層を以下のようにしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにバンドギャップエネルギーが障壁層と井戸層との間にあるアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎよりなる第１障壁層１３を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層、井戸層、第１障壁層１３の３層構造をさらに４回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚１４００オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を成長させる。以上のように第１障壁層１３のバンドギャップエネルギーを障壁層より小さく、井戸層よりも大きくした他は実施例３と同様に作製したところ、駆動電圧は下がることなく４．０Ｖであった。
【０１２５】
（実施例４）
実施例３において、活性層１０６ｆの第１障壁層１３をＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎとした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は３．０Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の第１障壁層１３の表面形態は図１６であった。
【０１２６】
（実施例５）
実施例３において、活性層１０６ｆの第１障壁層１３をＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎとした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は２．８Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の第１障壁層１３の表面形態は図１７であった。
【０１２７】
（実施例６）
実施例３において、活性層１０６ｆの第１障壁層１３をＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎとした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は３．６Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の第１障壁層１３の表面形態は図１４であった。
【０１２８】
（実施例７）
実施例３において、活性層１０６ｆを以下のようにした。
（活性層２０７）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第２障壁層１１を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.8Ｇａ_0.2Ｎよりなる井戸層１２を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる第１障壁層１３を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この第２障壁層１１、井戸層１２、第１障壁層１３の３層構造をさらに４回繰り返して積層し、最後に第２障壁層１１を形成して、総膜厚１４００オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層２０７を成長させる。
以上のように井戸層１２のＩｎの混晶比を０．８とした他は実施例３と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、順方向電圧２０ｍＡにおいて、５７０ｎｍの黄色発光を示し、駆動電圧は２．９Ｖと、同条件で第１障壁層１３を形成しないときの駆動電圧３．７Ｖと比べて大きな低下が見られた。
【０１２９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明を用いることによって、窒化物半導体発光素子、特に黄色領域の波長よりも長波長（５５０ｎｍ以上）の光を発光する窒化物半導体発光素子の発光出力を向上することができる。さらに、黄色領域の波長の光を発光する窒化物半導体層の上に形成される半導体層の結晶性を向上することができる。
【０１３０】
特に上記効果は、第１障壁層におけるＡｌの混晶比ｙ２がｙ２≧０．１において顕著に現れる。さらに、ｙ２≧０．１５、より好ましくはｙ２≧０．２とすることで発光素子の閾値電圧の低減にも効果が見られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施の形態１の発光ダイオードの模式的な断面図である。
【図２】 実施の形態１の活性層の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】 実施の形態１における一変形例の活性層の構成を示す模式的な断面図である。
【図４】 実施の形態１における他の変形例の活性層の構成を示す模式的な断面図である。
【図５】 本発明に係る実施の形態２の活性層の構成を示す模式的な断面図である。
【図６】 実施の形態２における一変形例の活性層の構成を示す模式的な断面図である。
【図７】 実施の形態２における他の変形例の活性層の構成を示す模式的な断面図である。
【図８】 本発明に係る実施の形態３のレーザダイオードの構成を示す模式的な断面図である。
【図９】 本発明に係る発光ダイオードにおける、第１障壁層のＡｌ混晶比ｙ２に対する閾値電圧を示すグラフである。
【図１０】 本発明に係る発光ダイオードにおける、第１障壁層のＡｌ混晶比ｙ２に対する発光出力を示すグラフである。
【図１１】 本発明に係る発光ダイオードの中間的な素子状態における、第１障壁層のＡｌ混晶比ｙ２に対するＰＬ発光出力を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る発光ダイオードの温度特性と、従来のＡｌＧａＩｎＰからなる発光ダイオードの温度特性とを比較して示すグラフである。
【図１３】 本発明に係る実施の形態４の発光ダイオードの構成を示す模式的な断面図である。
【図１４】 本発明に係る発光ダイオードの第１障壁層１３（Ａｌ混晶比０．１５）の表面形態を示したＡＦＭ像である。
【図１５】 本発明に係る発光ダイオードの第１障壁層１３（Ａｌ混晶比０．３０）の表面形態を示したＡＦＭ像である。
【図１６】 本発明に係る発光ダイオードの第１障壁層１３（Ａｌ混晶比０．４５）の表面形態を示したＡＦＭ像である。
【図１７】 本発明に係る発光ダイオードの第１障壁層１３（Ａｌ混晶比０．６０）の表面形態を示したＡＦＭ像である。
【図１８】 本発明に係る発光ダイオードにおける、Ａｌ混晶比Ｚに対する駆動電圧を示すグラフである。
【図１９】 本発明に係る実施の形態４の発光ダイオードの活性層の構成を模式的に示す断面図である。
【図２０】 本発明に係る実施の形態４の発光ダイオードの活性層とその近傍のエネルギーレベルを示す図である。
【図２１】 本発明に係る実施の形態５の発光ダイオードの活性層の構成を模式的に示す断面図である。
【図２２】 本発明に係る実施の形態５の変形例の活性層の構成を模式的に示す断面図である。
【図２３】 本発明に係る実施の形態５の発光ダイオードにおける、波長に対する発光出力を示すグラフである。
【符号の説明】
１１・・・第２障壁層、
１２・・・井戸層、
１３・・・第１障壁層、
１４・・・最上部層、
２１・・・ｎ側第２クラッド層、
２２・・・ｐ側第２クラッド層、
１０１、２０１・・・基板、
１０２、２０２・・・バッファ層、
１０３・・・アンドープＧａＮ層、
１０４、２０３・・・ｎ型コンタクト層、
１０５、２０４・・・ｎ型クラッド層、
１０６、２０６・・・活性層、
１０７、２０８・・・ｐ型クラッド層、
１０８、２０９・・・ｐ型コンタクト層、
１１１、２１１・・・ｎ電極、
１１２、２１２・・・ｐ電極、
２０５・・・ｎ型光ガイド層、
２０７・・・ｐ型光ガイド層、
２３０・・・絶縁膜。

Claims (5)

1. ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に活性層が形成された発光素子であって、
   前記活性層は、Ｉｎを含むＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＞０）からなる井戸層と、前記井戸層上に形成されるＡｌを含むＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（ｙ２≧０．３０）からなる第１障壁層と、Ｉｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（０≦ｘ３≦０．３、０≦ｙ３≦０．１、ｘ３＋ｙ３≦０．３）からなる第２障壁層とを含み、前記第２障壁層、前記井戸層、前記第１障壁層とがこの順に繰り返し形成された多重量子井戸構造であり、
   前記井戸層のＩｎ混晶比ｘ１が、０．６以上であり、
   前記井戸層は前記第２障壁層上に形成されたことを特徴とする発光素子。
2. ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に活性層が形成された発光素子であって、
   前記活性層は、Ｉｎを含むＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＞０）からなる井戸層と、前記井戸層上に形成されるＡｌを含むＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（ｙ２≧０．３０）からなる第１障壁層と、Ｉｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（０≦ｘ３≦０．３、０≦ｙ３≦０．１、ｘ３＋ｙ３≦０．３）からなる第２障壁層とを含み、前記第２障壁層、前記井戸層、前記第１障壁層とがこの順に繰り返し形成された多重量子井戸構造であり、
   前記井戸層のＩｎ混晶比ｘ１は、該井戸層において５３０ｎｍ以上の波長の光を発光するように設定され、
   前記井戸層は前記第２障壁層上に形成されたことを特徴とする発光素子。
3. 前記活性層は、前記第２障壁層を最上層に有する請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記第２障壁層はＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．３）からなる請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の発光素子。
5. 前記ｎ型半導体層はキャリアを前記活性層に閉じ込めるためのｎ型クラッド層を有しかつ前記ｐ型半導体層はキャリアを前記活性層に閉じ込めるためのｐ型クラッド層を有してなり、
   前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるｎ側第２クラッド層を有し、
   前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるｐ側第２クラッド層を有する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の発光素子。

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