JP6708442B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するものである。

半導体素子のほとんどはｐ型半導体層とｎ型半導体層とを積層して形成される。高い効率で動作する素子を実現するためには、電気抵抗が低いｐ型半導体層及びｎ型半導体層が必要である。ところが、紫外可視光波長域発光・受光素子として有用な窒化物半導体は、ｐ型半導体層の電気抵抗率が〜１Ωｃｍ程度である。これは、ｎ型窒化物半導体や赤外半導体であるｎ型ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）やｐ型ＧａＡｓの電気抵抗率が０．０１Ωｃｍ以下であることに比べて１００倍以上大きい。さらに、深紫外領域で必要な、大きなバンドギャップを有したＡｌＮ（窒化アルミニウム）モル分率が大きいＡｌＧａＮでは、ｐ型ＡｌＧａＮが得られないという課題がある。

トンネル接合は通常のｐｎ接合に比べてｐ型半導体層及びｎ型半導体層のそれぞれにｐ型不純物及びｎ型不純物が高濃度に添加されたｐｎ接合である。これにより、トンネル接合は通常のｐｎ接合に比べてｐ型半導体層とｎ型半導体層との界面に形成される空乏層の厚みが薄くなる。これにより、トンネル接合のｐ型半導体層とｎ型半導体層とに逆バイアス電圧を印加すると電子が空乏層を通り抜けｐ型半導体層の価電子帯からｎ型半導体層の伝導帯へ移動する（トンネルする）ことができる。つまり、トンネル接合はｎ型半導体層からｐ型半導体層に向けて電流を流すことができる。

ゆえに、窒化物半導体発光素子において、電子に比べ移動度が低く有効質量が大きい正孔の供給源であるｐ型半導体層の大部分を、トンネル接合を用いることによって、正孔に比べ移動度が高く有効質量が小さい電子の供給源であるｎ型半導体層に置き換えることができる。つまり、窒化物半導体発光素子にトンネル接合を用いることによって、電気抵抗が大きいｐ型半導体層の大部分を電気抵抗の小さいｎ型半導体層に置き換えることができる。そして、さらにトンネル接合自体の電気抵抗を小さくすることができれば、従来の素子の電気抵抗をより小さくすることができ、さらに、現在実用化が遅れている深紫外発光素子の実用化が可能になる。しかし、窒化物半導体はバンドギャップが大きく、アクセプタの濃度を大きくすることが難しい。このため、窒化物半導体を用いたトンネル接合は、電気抵抗を小さくすることが難しいと考えられてきた。

非特許文献１、２の窒化物半導体発光素子はトンネル接合層にＧａＩｎＮ層を用いている。これにより、この窒化物半導体発光素子ではトンネル接合層のバンドギャップが小さくなり、ＩｎＮ（窒化インジウム）が添加されて発生するピエゾ分極によって大きな分極電荷が生じるため、トンネル接合を介して、窒化物半導体発光素子であるＬＥＤを駆動する際に必要な低電流密度領域（１００Ａ／ｃｍ²以下）において、極めて低い電圧降下を示すことが開示されている。

これに対して、非特許文献３のトンネル接合を有する窒化物半導体発光素子は、レーザ駆動に必要な高電流密度領域（〜１０ｋＡ／ｃｍ²）において、素子の表面側にｐ型半導体層であるｐ型コンタクト層を有する従来の素子に比べ、駆動電圧がおよそ２Ｖ（ボルト）高いことが開示されている。

S．Krishnamoorthy，et al，、"Polarization-engineered GaN/InGaN/GaN tunnel diodes"、Applied Physics Letter、（米国）、２０１０年１１月、Vol．９７，Issue２０ M．Kaga，et al，、"GaInN-Based Tunnel Junctions in n-p-n Light Emitting Diodes"Japanese Journal of Applied Physics、２０１３年、Vol．５２，Number８S D．Minamikawa，et al，、"GaInN-based tunnel junctions with high InN mole fractions grown by MOVPE"Physica Status Solidi、２０１５年５月、Vol．２５２，Issue５，P．１１２７−１１３１

非特許文献１〜３に開示された内容を踏まえて、発明者らが鋭意検討した結果、素子の電気抵抗の全体としては、トンネル接合において電子及び／又は正孔が空乏層を通過する（トンネルする）際の直接的な電気抵抗のみならず、電子及び／又は正孔がトンネルした後に受ける電気抵抗も重要であることを新たに見出した。

詳しくは、従来のトンネル接合を備える窒化物半導体発光素子において、電子及び／又は正孔が空乏層をトンネルする確率を大きくするために、ＩｎＮ（窒化インジウム）モル分率が所定の大きさ（例えば０．４）であるＧａＩｎＮ層をトンネル接合に用いる。すると、ＧａＩｎＮ層はＧａＩｎＮ層に隣り合うＧａＮ層に比べてバンドギャップが小さくなる。つまり、ＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層に隣り合うＧａＮ層との間のバンドオフセットが大きくなる。これにより、ＧａＩｎＮ層と、ＧａＩｎＮ層に隣り合うＧａＮ層との間にエネルギーヘテロ障壁（以下、ヘテロ障壁という）が生じる。

つまり、非特許文献１〜３のように、ＩｎＮモル分率のより大きなＧａＩｎＮ層をトンネル接合に用いると、トンネルした後に、電子及び／又は正孔がヘテロ障壁を乗り越えて通過できるようにするために、電子及び／又は正孔により大きなエネルギーを与える必要がある。このため、ＩｎＮモル分率を大きくした割には、素子全体の電気抵抗が小さくならないという課題が生じることを見出した。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、素子の電気抵抗が十分に小さく、これにより高効率で発光することができる窒化物半導体発光素子を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の窒化物半導体発光素子は、
活性層の表面側にトンネル接合層が積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記トンネル接合層は、ｐ型不純物が添加され、前記トンネル接合層において最もバンドギャップが狭く前記活性層側に位置する第１層と、
ｎ型不純物が添加されて前記第１層の表面に積層され、前記第１層よりもバンドギャップの大きい第２層と、
を有し、
前記第１層は、層の厚み方向にＩｎＮ（窒化インジウム）モル分率を変化させて層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜し、少なくとも層の厚み方向の一方又は他方の界面のいずれかにおける前記ＩｎＮ（窒化インジウム）のモル分率が０であることを特徴とする。

この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層において、積層された第１層と第２層との界面に急激な電位の差であるヘテロ障壁が発生することを抑えることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子は電子及び／又は正孔がヘテロ障壁に妨げられることなく第１層と第２層との界面を良好に通過することができるため、トンネル接合層の電気抵抗を抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。また、第１層の格子定数の違いによる結晶の歪みを層の厚み方向の全体にわたって徐々に変化させることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子は第１層の厚み方向の全体にわたって転位等の結晶欠陥が発生することを抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は結晶品質を良好にすることができる。また、第１層のバンドギャップをより小さくすることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合に生じる空乏層の厚みをより抑えることができるため、電子及び／又は正孔が空乏層をより良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層の電気抵抗をより抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

また、本発明の窒化物半導体発光素子は、
活性層の表面側にトンネル接合層が積層された窒化物半導体発光素子であって、
前記トンネル接合層は、ｐ型不純物が添加され、前記トンネル接合層において最もバンドギャップの狭い第１層と、
ｎ型不純物が添加されて前記第１層の表面に積層され、前記第１層よりもバンドギャップの大きい第２層と、
ｐ型不純物が添加されて前記第１層の前記活性層側に積層され、前記第１層よりバンドギャップが大きい第３層と、
を有し、
前記第１層は、層の厚み方向にＩｎＮ（窒化インジウム）のモル分率を変化させて層の厚み方向に組成傾斜し、少なくとも前記第２層及び前記第３層との界面のいずれかにおける前記ＩｎＮ（窒化インジウム）のモル分率が０であることを特徴とする。

この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層において、第１層の第２層側との界面又は第３層側との界面の少なくとも一方に急激な電位の差であるヘテロ障壁が発生することを抑えることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子は電子及び／又は正孔がヘテロ障壁に妨げられることなく第１層と第２層との界面、及び／又は第１層と第３層との界面を良好に通過することができるため、トンネル接合層の電気抵抗を抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。また、第１層のバンドギャップをより小さくすることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合に生じる空乏層の厚みをより抑えることができるため、電子及び／又は正孔が空乏層をより良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層の電気抵抗をより抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

したがって、本発明の窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

実施例１〜３、及び比較例１の層の構造を示す模式図である。 実施例１のトンネル接合層の厚み方向に対するバンドギャップを示すグラフである。 実施例２のトンネル接合層の厚み方向に対するバンドギャップを示すグラフである。 実施例３のトンネル接合層の厚み方向に対するバンドギャップを示すグラフである。 比較例１のトンネル接合層の厚み方向に対するバンドギャップを示すグラフである。 実施例１〜３、及び比較例１のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示すグラフであって、（Ａ）は実施例１のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示し、（Ｂ）は実施例２のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示し、（Ｃ）は実施例３のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示し、（Ｄ）は比較例１のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示す。 実施例１〜３、及び比較例１の電流に対する電圧の大きさを示すグラフである。 実施例４〜６のトンネル接合層の構造を示す模式図である。 実施例４〜６のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示すグラフであって、（Ａ）は実施例４のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示し、（Ｂ）は実施例５のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示し、（Ｃ）は実施例６のトンネル接合層の厚み方向に対するＩｎＮモル分率の大きさを示す。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

本発明の窒化物半導体発光素子において、前記第１層は、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜し得る。この場合、この窒化物半導体発光素子は、第１層の格子定数の違いによる結晶の歪みを層の厚み方向の全体にわたって徐々に変化させることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子は第１層の厚み方向の全体にわたって転位等の結晶欠陥が発生することを抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は結晶品質を良好にすることができる。

次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例１〜６、及び比較例１について、図面を参照しつつ説明する。

＜実施例１〜３及び比較例１＞

実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、第１ｎ−ＧａＮ層１１、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１２、ｐ−ＡｌＧａＮ層１３、ｐ−ＧａＮ層１４、トンネル接合層１５、第２ｎ−ＧａＮ層１６、及びｎ−ＧａＮコンタクト層１７を備えている。

実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子は、サファイア基板（以下、基板という）（図示せず）の表面側（表は図１における上側である、以下同じ。）に低温堆積緩衝層（図示せず）を介して形成したＧａＮテンプレート１０の表面側に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて積層して結晶成長する。

先ず、基板の表面側に形成されたＧａＮテンプレート１０の表面に第１ｎ−ＧａＮ層１１を積層して結晶成長する。詳しくは、先ず、反応炉内に基板をセットする。そして、反応炉内にＮ（窒素）の原料であるＮＨ₃（アンモニア）、及びキャリアガスであるＨ₂（水素）を供給して、反応炉内の温度を調節して基板の温度を１０５０℃にする。そして、反応炉内にＧａ（ガリウム）の原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）と、ｎ型不純物であるＳｉ（ケイ素）の原料であるＳｉＨ₄（シラン）とを供給して、２μｍの厚みの第１ｎ−ＧａＮ層１１を積層して結晶成長させる。反応炉内へのＳｉＨ₄の供給量は第１ｎ−ＧａＮ層１１に添加されるｎ型不純物であるＳｉの添加濃度が８×１０¹⁸ｃｍ^-3になるように調節する。

次に、第１ｎ−ＧａＮ層１１の表面にＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１２を積層して結晶成長する。ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１２は、ＧａＩｎＮ井戸層（図示せず）、及びＧａＮバリア層（図示せず）を有している。

先ず、ＧａＩｎＮ井戸層を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのＨ₂、ＴＭＧａ、及びＳｉＨ₄の供給を停止する。そして、反応炉内にキャリアガスとしてＮ₂（窒素）を供給する。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を７８０℃にする。そして、反応炉内にＧａの原料であるＴＥＧａ（トリエチルガリウム）と、Ｉｎ（インジウム）の原料であるＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とを供給して、２ｎｍの厚みのＧａＩｎＮ井戸層を積層して結晶成長させる。

次に、ＧａＩｎＮ井戸層の表面にＧａＮバリア層を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのＴＭＩｎの供給を停止して、１０ｎｍの厚みのＧａＮバリア層を積層して結晶成長させる。こうして成長させたＧａＩｎＮ量子井戸層、及びＧａＮバリア層を１ペアとして、この１ペアを５ペア積層して結晶成長する。こうしてＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１２を形成する。そして、反応炉内へのＴＥＧａ及びＴＭＩｎの供給を停止する。

次に、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１２の表面にｐ−ＡｌＧａＮ層１３を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へ供給するキャリアガスをＮ₂からＨ₂に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を１０００℃にする。そして、反応炉内にＴＭＧａ、Ａｌ（アルミニウム）の原料であるＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、及びｐ型不純物であるＭｇ（マグネシウム）の原料であるＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を供給して、２０ｎｍの厚みのｐ−ＡｌＧａＮ層１３を積層して結晶成長させる。反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇの供給量はｐ−ＡｌＧａＮ層１３に添加されるｐ型不純物であるＭｇの濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3になるように調節する。

次に、ｐ−ＡｌＧａＮ層１３の表面にｐ−ＧａＮ層１４を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へＴＭＡｌの供給を停止して、１００ｎｍの厚みのｐ−ＧａＮ層１４を積層して結晶成長させる。ｐ−ＧａＮ層１４に添加されるｐ型不純物であるＭｇの濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3である。そして、反応炉内へのＴＭＧａ及びＣｐ₂Ｍｇの供給を停止して、キャリアガスをＨ₂からＮ₂に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を７２０℃にする。

次に、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にトンネル接合層１５を形成する。トンネル接合層１５は第１層であるｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ、及び第２層であるｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂを有している。ここで、ｐ^＋＋とはｐ型不純物であるＭｇが高濃度に添加された状態を意味し、ｎ^＋＋とはｎ型不純物であるＳｉが高濃度に添加された状態を意味する。

ここで、実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子はそれぞれでｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを積層して結晶成長する方法が異なる。このため、実施例１〜３、及び比較例１のそれぞれのｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの結晶成長する方法を説明する。

実施例１は、反応炉内にＴＥＧａ、及びＣｐ₂Ｍｇの供給を開始した時点で、反応炉内へのＴＭＩｎの供給量は０である。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に増加させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの厚みが４ｎｍになったときに、ＩｎＮモル分率が０．４になるように反応炉内へのＴＭＩｎの流量を増加させる。実施例１はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａに添加されるｐ型不純物であるＭｇの濃度が２×１０²⁰ｃｍ^-3になるようにＣｐ₂Ｍｇの流量を調節する。こうして、実施例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの結晶成長を終了する。実施例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向の全体にわたってＩｎＮモル分率が変化している。つまり、実施例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。

実施例２は、反応炉内にＴＥＧａ、Ｃｐ₂Ｍｇ、及びＴＭＩｎを供給する。このときの反応炉内へのＴＭＩｎの供給量はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＩｎＮモル分率が０．４になる量である。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に減少させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの厚みが４ｎｍになったときに、反応炉内へのＴＭＩｎの供給量が０になるようにＴＭＩｎの流量を減少させる。実施例２はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａに添加されるｐ型不純物であるＭｇの濃度が２×１０²⁰ｃｍ^-3になるようにＣｐ₂Ｍｇの流量を調節する。こうして、実施例２のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの結晶成長を終了する。実施例２のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向の全体にわたってＩｎＮモル分率が変化している。つまり、実施例２のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。

実施例３は、反応炉内にＴＥＧａ、及びＣｐ₂Ｍｇの供給を開始した時点で、反応炉内へのＴＭＩｎの供給量は０である。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に増加させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの厚みが２ｎｍになったときに、ＩｎＮモル分率が０．４になるように反応炉内へのＴＭＩｎの流量を増加させる。そして、さらにｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に減少させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの厚みが４ｎｍになったときに、ＩｎＮモル分率が再び０になるように反応炉内へのＴＭＩｎの流量を減少させる。実施例３はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａに添加されるｐ型不純物であるＭｇの濃度が２×１０²⁰ｃｍ^-3になるようにＣｐ₂Ｍｇの流量を調節する。こうして、実施例３のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの結晶成長を終了する。実施例３のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向の全体にわたってＩｎＮモル分率が変化している。つまり、実施例３のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。

比較例１は、反応炉内にＴＥＧａ、Ｃｐ₂Ｍｇ、及び所定の量のＴＭＩｎを供給する。こうして、２ｎｍの厚みのｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを成長させる。比較例１はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａに添加されるｐ型不純物であるＭｇの濃度が２×１０²⁰ｃｍ^-3になるようにＣｐ₂Ｍｇの流量を調節する。こうして、比較例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの結晶成長を終了する。比較例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向の全体にわたってＩｎＮモル分率が変化していない。つまり、比較例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは組成傾斜していない。

次に、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの表面にｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂを積層して結晶成長する。詳しくは、実施例１〜３、及び比較例１のそれぞれにおいてｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａを積層して結晶成長させた後、反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇ及びＴＭＩｎの供給を停止する。そして、反応炉内にＳｉＨ₄を供給して、２ｎｍの厚みのｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂを積層して結晶成長させる。その後、反応炉内へのＴＥＧａ及びＳｉＨ₄の供給を停止する。こうして、実施例１〜３、及び比較例１のそれぞれにおいてトンネル接合層１５を形成する。ｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂに添加されるｎ型不純物であるＳｉの濃度は４×１０²⁰ｃｍ^-3以上である。

次に、トンネル接合層１５の表面に第２ｎ−ＧａＮ層１６を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へ供給するキャリアガスをＮ₂からＨ₂に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度を１０００℃にする。そして、第２ｎ−ＧａＮ層１６を４００ｎｍの厚みで積層して結晶成長させる。第２ｎ−ＧａＮ層１６に添加されるｎ型不純物であるＳｉの濃度は８×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

次に、第２ｎ−ＧａＮ層１６の表面にｎ−ＧａＮコンタクト層１７を積層して結晶成長する。ｎ−ＧａＮコンタクト層１７は層の厚みが１０ｎｍである。そして、反応炉内へのＴＭＧａ及びＳｉＨ₄の供給を停止して結晶成長を終了する。そして、反応炉内へ供給するキャリアガスをＨ₂からＮ₂に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度が４００℃以下になった時点で、反応炉内へのＮＨ₃の供給を停止する。そして、基板の温度が室温になった後、反応炉内のパージを行い、基板を反応炉から取り出す。

次に、こうして結晶成長して層構造を形成した実施例１〜３、及び比較例１の基板のそれぞれを用いて電流注入可能な素子形成を行う。

先ず、表面からの平面視において、基板上に直径３５μｍの円形形状であるメサ構造２０を形成する。詳しくは、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて基板上にメサ構造２０を形成する。より詳しくは、基板上の最も表面に積層して結晶成長したｎ−ＧａＮコンタクト層１７の表面に直径３５μｍの円形形状のフォトレジスト又は金属マスクを形成する（図示せず。）。フォトレジスト又は金属マスクが形成された直下はエッチングで除去されない。また、フォトレジスト又は金属マスクが形成されていない領域は、表面に第１ｎ−ＧａＮ層１１が露出するまでエッチングされる。こうして、基板上に直径３５μｍの円形形状であるメサ構造２０を形成する。

次に、メサ構造２０を形成した基板をＯ₂（酸素）雰囲気中にて、７２５℃で３０分間アニール処理を行い、埋め込まれたｐ−ＡｌＧａＮ層１３、ｐ−ＧａＮ層１４、及びトンネル接合層１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＭｇを活性化させる。ここで、活性化とはｐ型不純物であるＭｇに結合しているＨ（水素）を離脱させてＭｇを活性化させ、Ｍｇが添加されたｐ−ＡｌＧａＮ層１３、ｐ−ＧａＮ層１４、及びトンネル接合層１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの電気伝導性を向上させることである。こうして活性化することで、エッチングによって、側面が露出したｐ−ＡｌＧａＮ層１３、ｐ−ＧａＮ層１４及びトンネル接合層１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａのそれぞれの側面からＭｇを不活性化させていたＨを離脱させる。

次に、第１電極２１、及び第２電極２２を形成する。詳しくは、円形形状をなした第１電極２１をメサ構造２０の表面に形成する。また、円環状をなした第２電極２２をメサ構造２０の周囲を囲むように、第１ｎ−ＧａＮ層１１の露出した表面に形成する。第１電極２１、及び第２電極２２は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕである。また、第１電極２１、及び第２電極２２はそれぞれを一括して形成する。こうして、電流が第１電極２１からトンネル接合層１５、及びＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層１２を通過して第２電極２２に流れる実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子を形成する。

次に、実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子のそれぞれのトンネル接合層１５の特徴について説明する。

実施例１は、図６（Ａ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４から第２ｎ−ＧａＮ層１６に向けて、すなわち、結晶成長する方向にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＩｎＮモル分率が０から０．４まで増加している。つまり、実施例１のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。また、実施例１はｐ−ＧａＮ層１４とｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａとの界面を含むこの界面近傍の領域が組成傾斜している。

また、実施例１は、図２に示すように、トンネル接合層１５において最もバンドギャップの狭いｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ上に積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａよりもバンドギャップの大きいｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂを有している。また、実施例１はトンネル接合層１５のＧａＩｎＮ層であるｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａのｐ−ＧａＮ層１４側との界面にヘテロ障壁が生じていない。これにより、実施例１のトンネル接合層１５ではｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａからｐ−ＧａＮ層１４の方向に正孔が容易に通過することができる。

実施例２は、図６（Ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４から第２ｎ−ＧａＮ層１６に向けて、すなわち、結晶成長する方向にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＩｎＮモル分率が０．４から０まで減少している。つまり、実施例２のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。また、実施例２はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａとｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂとの界面を含むこの界面近傍の領域が組成傾斜している。

また、実施例２は、図３に示すように、トンネル接合層１５において最もバンドギャップの狭いｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ上に積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａよりもバンドギャップの大きいｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂを有している。また、実施例２は、トンネル接合層１５のＧａＩｎＮ層であるｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａのｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂ側との界面にヘテロ障壁が生じていない。これにより、実施例２のトンネル接合層１５はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａからｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂの方向に電子が容易に通過することができる。

実施例３は、図６（Ｃ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４から第２ｎ−ＧａＮ層１６に向けて、すなわち、結晶成長する方向にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＩｎＮモル分率が前半の２ｎｍにおいて０から０．４に増加し、後半の２ｎｍにおいて０．４から０に減少している。つまり、実施例３のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。また、実施例３はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａとｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂとの界面を含むこの界面近傍の領域が組成傾斜している。また、実施例３はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａとｐ−ＧａＮ層１４との界面を含むこの界面近傍の領域も組成傾斜している。

また、実施例３は、図４に示すように、トンネル接合層１５において最もバンドギャップの狭いｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａ上に積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａよりもバンドギャップの大きいｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂを有している。また、実施例３はトンネル接合層１５のＧａＩｎＮ層であるｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａのｐ−ＧａＮ層１４側と、ｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂ側との２つの界面にヘテロ障壁が生じていない。これにより、実施例３のトンネル接合層１５はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａからｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂの方向に電子が容易に通過することができ、且つ、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａからｐ−ＧａＮ層１４の方向に正孔が容易に通過することができる。

比較例１は、図６（Ｄ）に示すように、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＩｎＮモル分率が層の厚み方向の全体にわたって一定である。つまり、比較例１はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５ＡのＩｎＮモル分率が層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜していない。

また、比較例１は、図５に示すように、トンネル接合層１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａのバンドギャップが、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａに隣り合うｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂ，及びｐ−ＧａＮ層１４に比べて小さい。これにより、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの両側にバンドオフセットが生じて、ｐ−ＧａＮ層１４側、及びｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂ側の両側にヘテロ障壁３０、３１が生じている。ヘテロ障壁３０はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａからｐ−ＧａＮ層１４に流れる正孔に対する障壁である。ヘテロ障壁３０の大きさはおよそ０．４ｅＶ（エレクトロンボルト）である。また、ヘテロ障壁３１はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａからｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂに流れる電子に対する障壁である。ヘテロ障壁３１の大きさはおよそ０．９ｅＶ（エレクトロンボルト）である。

次に、実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子におけるトンネル接合での電圧降下を評価するために実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体発光素子のそれぞれに電圧を印加して、電流−電圧特性を測定した。

図７に示すように、実施例１〜３は、比較例１に比べて、駆動電圧が大きく低減しており、５ｋＡ／ｃｍ²において、およそ１Ｖ（ボルト）低い。すなわち、トンネル接合層１５に組成傾斜を取り入れることによって素子の電気抵抗を小さくできることがわかった。ゆえに、これまで、トンネル接合層のみの低抵抗化を検討していたが、それだけでなく、トンネル接合層の両側の層の構造も含めた提案が重要であることがわかった。

このように、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層１５において、積層されたｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａとｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂとの界面に急激な電位の差であるヘテロ障壁が発生することを抑えることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子は電子及び／又は正孔がヘテロ障壁に妨げられることなくｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａとｎ^＋＋−ＧａＮ層１５Ｂとの界面を良好に通過することができるため、トンネル接合層１５の電気抵抗を抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

したがって、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

また、この窒化物半導体発光素子において、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは、層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜している。このため、この窒化物半導体発光素子は、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの格子定数の違いによる結晶の歪みを層の厚み方向の全体にわたって徐々に変化させることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａの厚み方向の全体にわたって転位等の結晶欠陥が発生することを抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は結晶品質を良好にすることができる。

また、この窒化物半導体発光素子において、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａは、層の厚み方向におけるＩｎＮ（窒化インジウム）モル分率を変化させて、組成傾斜している。このため、この窒化物半導体発光素子は、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１５Ａのバンドギャップをより小さくすることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層１５に生じる空乏層の厚みをより抑えることができるため、電子及び／又は正孔が空乏層をより良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層１５の電気抵抗をより抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

＜実施例４〜６＞
実施例４〜６は、図８に示すように、トンネル接合層１１５に第３層であるｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを有している点、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡにＩｎＮモル分率が０．４である領域Ｆ１〜Ｆ３を備えている点が実施例１〜３と異なる。他の構成は実施例１〜３と同様であり、実施例１〜３と同一の構成は同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例４は、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にトンネル接合層１１５を形成する際に、反応炉内にＴＥＧａ、及びＣｐ₂Ｍｇの供給を開始して、所定の時間ＩｎＮを含まないｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを積層して結晶成長させる。次に、ｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃの表面にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを積層して結晶成長させる。詳しくは、反応炉内へのＴＭＩｎの供給を開始する。開始直後は、反応炉内へのＴＭＩｎの供給量は０であるが、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に増加させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが２ｎｍになったときに、ＩｎＮモル分率が０．４になるように反応炉内へのＴＭＩｎの流量を増加させる。そして、ＩｎＮモル分率が０．４になるＴＭＩｎの反応炉内への流量を維持して、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが４ｎｍになるまで結晶成長させる。こうして、確実にＩｎＮモル分率が０．４である領域Ｆ１（図９（Ａ）参照）を形成することができる。つまり、領域Ｆ１はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａにおいて最もＩｎＮモル分率が大きく組成が平坦である。領域Ｆ１の厚みは２ｎｍである。こうして、実施例４のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの結晶成長を終了する。そして、反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇ及びＴＭＩｎの供給を停止する。そして、反応炉内にＳｉＨ₄を供給して、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの表面に所定の厚みのｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂを積層して結晶成長する。こうして、実施例４はトンネル接合層１１５を形成する。

実施例４はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡにＩｎＮが添加されている。このため、実施例４はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのバンドギャップがｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃ、及びｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂに比べて小さい。つまり、実施例４は、トンネル接合層１１５において最もバンドギャップの狭いｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａ、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａに積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａよりもバンドギャップの大きいｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂ、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを挟んでｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂの反対側に積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａよりバンドギャップが大きいｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを有したトンネル接合層１１５を形成する。

実施例４は、図９（Ａ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４から第２ｎ−ＧａＮ層１６に向けて、すなわち、結晶成長する方向にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡのＩｎＮモル分率が０から０．４まで増加している。つまり、実施例４のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向に組成傾斜している。また、実施例４はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃ側との界面を含むこの界面近傍の領域が組成傾斜する。一方で、ＩｎＮモル分率が一定の領域Ｆ１も存在する。

実施例５は、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にトンネル接合層１１５を形成する際に、反応炉内にＴＥＧａ、及びＣｐ₂Ｍｇの供給を開始して、所定の時間ＩｎＮを含まないｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを積層して結晶成長させる。次に、ｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃの表面にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを積層して結晶成長させる。詳しくは、反応炉内へのＴＭＩｎの供給を開始する。このときの反応炉内へのＴＭＩｎの供給量はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡのＩｎＮモル分率が０．４になる量である。そして、ＩｎＮモル分率が０．４になるＴＭＩｎの反応炉内への流量を維持して、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが２ｎｍになるまで結晶成長させる。こうして、確実にＩｎＮモル分率が０．４である領域Ｆ２（図９（Ｂ）参照）を形成することができる。つまり、領域Ｆ２はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａにおいて最もＩｎＮモル分率が大きく組成が平坦である。領域Ｆ２の厚みは２ｎｍである。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に減少させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが４ｎｍになったときに、反応炉内へのＴＭＩｎの供給量が０になるようにＴＭＩｎの流量を減少させる。こうして、実施例５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの結晶成長を終了する。そして、反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇ及びＴＭＩｎの供給を停止する。そして、反応炉内にＳｉＨ₄を供給して、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの表面に所定の厚みのｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂを積層して結晶成長する。こうして、実施例５はトンネル接合層１１５を形成する。

実施例５はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡにＩｎＮが添加されている。このため、実施例５はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのバンドギャップがｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃ、及びｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂに比べて小さい。つまり、実施例５は、トンネル接合層１１５において最もバンドギャップの狭いｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａ、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａに積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａよりもバンドギャップの大きいｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂ、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを挟んでｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂの反対側に積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａよりバンドギャップが大きいｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを有したトンネル接合層１１５を形成する。

実施例５は、図９（Ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４から第２ｎ−ＧａＮ層１６に向けて、すなわち、結晶成長する方向にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡのＩｎＮモル分率が０．４から０まで減少している。つまり、実施例５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向に組成傾斜している。また、実施例５はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂ側との界面を含むこの界面近傍の領域が組成傾斜する。一方で、ＩｎＮモル分率が一定の領域Ｆ２も存在する。

実施例６は、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にトンネル接合層１１５を形成する際に、反応炉内にＴＥＧａ、及びＣｐ₂Ｍｇの供給を開始して、所定の時間ＩｎＮを含まないｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを積層して結晶成長させる。次に、ｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃの表面にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを積層して結晶成長させる。詳しくは、反応炉内へのＴＭＩｎの供給を開始する。このとき、反応炉内へのＴＭＩｎの供給量は０である。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に増加させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが１．５ｎｍになったときに、ＩｎＮモル分率が０．４になるように反応炉内へのＴＭＩｎの流量を増加させる。そして、ＩｎＮモル分率が０．４になるＴＭＩｎの反応炉内への流量を維持して、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが２．５ｎｍになるまで結晶成長させる。こうして、確実にＩｎＮモル分率が０．４である領域Ｆ３（図９（Ｃ）参照）を形成することができる。つまり、領域Ｆ３はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａにおいて最もＩｎＮモル分率が大きく組成が平坦である。領域Ｆ３の厚みは１ｎｍである。そして、さらにｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを結晶成長させつつ、反応炉内へのＴＭＩｎの流量を次第に減少させる。そして、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚みが４ｎｍになったときに、ＩｎＮモル分率が再び０になるように反応炉内へのＴＭＩｎの流量を減少させる。こうして、実施例６のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの結晶成長を終了する。そして、反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇ及びＴＭＩｎの供給を停止する。そして、反応炉内にＳｉＨ₄を供給して、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの表面に所定の厚みのｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂを積層して結晶成長する。こうして、実施例６はトンネル接合層１１５を形成する。

実施例６はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡにＩｎＮが添加されている。このため、実施例６のトンネル接合層１１５はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのバンドギャップがｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃ、及びｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂに比べて小さい。つまり、実施例６は、トンネル接合層において最もバンドギャップの狭いｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａ、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａに積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａよりもバンドギャップの大きいｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂ、及びｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａを挟んでｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂの反対側に積層され、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａよりバンドギャップが大きいｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃを有したトンネル接合層１１５を形成する。

実施例６は、図９（Ｃ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４から第２ｎ−ＧａＮ層１６に向けて、すなわち、結晶成長する方向にｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５ＡのＩｎＮモル分率が前半において０から０．４に増加し、ＩｎＮモル分率が０．４と一定である領域Ｆ３を挟み、後半においてＩｎＮモル分率が０．４から０に減少している。つまり、実施例６のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａは層の厚み方向におけるＩｎＮモル分率を変化させて、層の厚み方向に組成傾斜している。また、実施例６はトンネル接合層１１５のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃ側、及びｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂ側の界面を含むこの界面近傍の領域が組成傾斜する。

このように、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層１１５において、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂ側との界面、又はｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃ側との界面の少なくとも一方に急激な電位の差であるヘテロ障壁が発生することを抑えることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子は電子及び／又は正孔がヘテロ障壁に妨げられることなくｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａとｎ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｂとの界面、及び／又はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａとｐ^＋＋−ＧａＮ層１１５Ｃとの界面を良好に通過することができるため、トンネル接合層１１５の電気抵抗を抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

したがって、この窒化物半導体発光素子も良好に発光することができる。

また、この窒化物半導体発光素子において、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａは、層の厚み方向に組成傾斜している。このため、この窒化物半導体発光素子は、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの格子定数の違いによる結晶の歪みを層の厚み方向に徐々に変化させることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子はｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａの厚み方向に転位等の結晶欠陥が発生することを抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は結晶品質を良好にすることができる。

また、この窒化物半導体発光素子において、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａは、層の厚み方向におけるＩｎＮ（窒化インジウム）モル分率を変化させて、組成傾斜している。このため、この窒化物半導体発光素子は、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層１１５Ａのバンドギャップをより小さくすることができる。これにより、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合に生じる空乏層の厚みをより抑えることができるため、電子及び／又は正孔が空乏層をより良好に通過することができる。このため、この窒化物半導体発光素子はトンネル接合層１１５の電気抵抗をより抑えることができる。このため、この窒化物半導体発光素子は良好に発光することができる。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１〜６に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１〜３では、トンネル接合層の裏面側は一般的な青色ＬＥＤ構造であるが、これに限らず、高電流密度領域における電圧降下が大きく改善されることから、端面レーザダイオードや、第１ｎ−ＧａＮ層の裏面側に、多層膜反射鏡を設けた面発光レーザ構造としても良い。
（２）実施例１〜３では、ｐ型不純物としてＭｇを用いているが、これに限らず、ｐ型不純物である、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等であっても良い。
（３）実施例１〜３では、ｎ型不純物としてＳｉを用いているが、これに限らず、ｎ型不純物である、Ｇｅ等であっても良い。
（４）実施例１〜３では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ５重量子井戸活性層の表面にｐ−ＡｌＧａＮ層を積層して形成しているが、これに限らず、ＧａＩｎＮ量子井戸活性層の表面にｐ−ＡｌＧａＮ層を積層して形成しなくても良い。
（５）実施例１〜３では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、窒化ガリウム基板やＡｌＮ基板等の他の基板を用いても良い。
（６）実施例１〜３では、トンネル接合層のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層の厚みを４ｎｍとしているが、これに限らず、トンネル接合層のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層の厚みを４ｎｍより小さくしても良く、４ｎｍより大きくしても良い。
（７）実施例１〜３では、トンネル接合層のｎ^＋＋−ＧａＮ層の厚みを２ｎｍとしているが、これに限らず、トンネル接合層のｎ^＋＋−ＧａＩｎＮ層の厚みを２ｎｍより小さくしても良く、２ｎｍより大きくしても良い。
（８）実施例１〜３では、トンネル接合層のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層のＩｎＮモル分率を０〜０．４に変化させているが、これに限らず、トンネル接合層のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層のＩｎＮモル分率を０．４より小さくしても良く、０．４より大きくしても良い。
（９）実施例１〜６では、トンネル接合層のｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層にＩｎＮを添加しているが、これに限らず、ｐ^＋＋−ＧａＮ層、及びｎ^＋＋−ＧａＮ層より小さいバンドギャップを有する他の物質を添加しても良い。
（１０）実施例４〜６では、領域Ｆ１〜Ｆ３のそれぞれの厚みが１〜２ｎｍであるが、これに限らず、領域Ｆ１〜Ｆ３のそれぞれの厚みが１ｎｍ未満でも良く、２ｎｍより大きくても良い。

１５，１１５…トンネル接合層
１５Ａ，１１５Ａ…ｐ^＋＋−ＧａＩｎＮ層（第１層）
１５Ｂ，１１５Ｂ…ｎ^＋＋−ＧａＮ層（第２層）
１１５Ｃ…ｐ^＋＋−ＧａＮ層（第３層）

Claims (3)

1. 活性層の表面側にトンネル接合層が積層された窒化物半導体発光素子であって、
   前記トンネル接合層は、ｐ型不純物が添加され、前記トンネル接合層において最もバンドギャップが狭く前記活性層側に位置する第１層と、
   ｎ型不純物が添加されて前記第１層の表面に積層され、前記第１層よりもバンドギャップの大きい第２層と、
   を有し、
   前記第１層は、層の厚み方向にＩｎＮ（窒化インジウム）モル分率を変化させて層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜し、少なくとも層の厚み方向の一方又は他方の界面のいずれかにおける前記ＩｎＮ（窒化インジウム）のモル分率が０であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 活性層の表面側にトンネル接合層が積層された窒化物半導体発光素子であって、
   前記トンネル接合層は、ｐ型不純物が添加され、前記トンネル接合層において最もバンドギャップの狭い第１層と、
   ｎ型不純物が添加されて前記第１層の表面に積層され、前記第１層よりもバンドギャップの大きい第２層と、
   ｐ型不純物が添加されて前記第１層の前記活性層側に積層され、前記第１層よりバンドギャップが大きい第３層と、
   を有し、
   前記第１層は、層の厚み方向にＩｎＮ（窒化インジウム）のモル分率を変化させて層の厚み方向に組成傾斜し、少なくとも前記第２層及び前記第３層との界面のいずれかにおける前記ＩｎＮ（窒化インジウム）のモル分率が０であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
3. 前記第１層は、
   層の厚み方向の全体にわたって組成傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。