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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023076104
(43)【公開日】2023-06-01
(54)【発明の名称】発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/06 20100101AFI20230525BHJP
H01L 33/08 20100101ALI20230525BHJP
【ＦＩ】
H01L33/06
H01L33/08
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021189304
(22)【出願日】2021-11-22
(71)【出願人】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108062
【弁理士】
【氏名又は名称】日向寺 雅彦
(74)【代理人】
【識別番号】100168332
【弁理士】
【氏名又は名称】小崎 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100172188
【弁理士】
【氏名又は名称】内田 敬人
(72)【発明者】
【氏名】阿部 真
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA03
5F241CA04
5F241CA05
5F241CA40
5F241CA58
5F241CB28
(57)【要約】
【課題】発光効率を向上できる発光素子を提供すること。
【解決手段】発光素子は、下方から上方に向かって順に、第１活性層を有する第１発光部と、トンネル接合部と、第２活性層を有する第２発光部とを備える。第１活性層は、複数の第１井戸層と、複数の第１井戸層のうち隣り合う第１井戸層間に位置する第１障壁層とを有する。第２活性層は、複数の第２井戸層と、複数の第２井戸層のうち隣り合う第２井戸層間に位置する第２障壁層とを有する。第２障壁層は、ｎ型不純物とガリウムとを含み、第１障壁層のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する窒化物半導体層である。第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、第１発光部側にある。
【選択図】図１
【解決手段】発光素子は、下方から上方に向かって順に、第１活性層を有する第１発光部と、トンネル接合部と、第２活性層を有する第２発光部とを備える。第１活性層は、複数の第１井戸層と、複数の第１井戸層のうち隣り合う第１井戸層間に位置する第１障壁層とを有する。第２活性層は、複数の第２井戸層と、複数の第２井戸層のうち隣り合う第２井戸層間に位置する第２障壁層とを有する。第２障壁層は、ｎ型不純物とガリウムとを含み、第１障壁層のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する窒化物半導体層である。第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、第１発光部側にある。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下方から上方に向かって順に、第１活性層を有する第１発光部と、トンネル接合部と、第２活性層を有する第２発光部とを備え、
前記第１活性層は、複数の第１井戸層と、前記複数の第１井戸層のうち隣り合う第１井戸層間に位置し、前記第１井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１障壁層とを有し、
前記第２活性層は、複数の第２井戸層と、前記複数の第２井戸層のうち隣り合う第２井戸層間に位置し、前記第２井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２障壁層とを有し、
前記第２障壁層は、ｎ型不純物とガリウムとを含み、前記第１障壁層のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する窒化物半導体層であり、
前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１発光部側にある発光素子。
前記第１活性層は、複数の第１井戸層と、前記複数の第１井戸層のうち隣り合う第１井戸層間に位置し、前記第１井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１障壁層とを有し、
前記第２活性層は、複数の第２井戸層と、前記複数の第２井戸層のうち隣り合う第２井戸層間に位置し、前記第２井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２障壁層とを有し、
前記第２障壁層は、ｎ型不純物とガリウムとを含み、前記第１障壁層のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する窒化物半導体層であり、
前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１発光部側にある発光素子。
【請求項2】
前記第２障壁層は、第１発光部側から順に、第１層と、第２層とを有し、
前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１層に位置し、
前記第１層の厚さは、前記第２障壁層の厚さの１０％以上５０％以下である請求項１に記載の発光素子。
前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１層に位置し、
前記第１層の厚さは、前記第２障壁層の厚さの１０％以上５０％以下である請求項１に記載の発光素子。
【請求項3】
前記第１層の厚さは、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である請求項２に記載の発光素子。
【請求項4】
前記トンネル接合部は、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層を含み、
前記第１層のｎ型不純物濃度は、前記トンネル接合部のｎ型不純物濃度よりも低い請求項２または３に記載の発光素子。
前記第１層のｎ型不純物濃度は、前記トンネル接合部のｎ型不純物濃度よりも低い請求項２または３に記載の発光素子。
【請求項5】
前記第１層のｎ型不純物濃度は、２×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１８ｃｍ－３以下である請求項２～４のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項6】
前記第２障壁層は、前記第１層よりも前記第１発光部側に位置する第３層をさらに有し、
前記第２層のｎ型不純物濃度及び前記第３層のｎ型不純物濃度は、前記第１層のｎ型不純物濃度よりも低い請求項２～５のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第２層のｎ型不純物濃度及び前記第３層のｎ型不純物濃度は、前記第１層のｎ型不純物濃度よりも低い請求項２～５のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項7】
前記第２活性層は、３以上の前記第２井戸層と、２以上の前記第２障壁層とを有し、
すべての前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１発光部側にある請求項１～６のいずれか１つに記載の発光素子。
すべての前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１発光部側にある請求項１～６のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項8】
前記第２活性層は、前記第２活性層において最も上方に位置する第３障壁層をさらに有し、
前記第３障壁層のｎ型不純物濃度は、前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度よりも低い請求項１～７のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第３障壁層のｎ型不純物濃度は、前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度よりも低い請求項１～７のいずれか１つに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、例えば、トンネル接合層を有する窒化物半導体層を含む発光素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１７－１５７６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このような発光素子において、発光効率の向上が望まれる。本発明は、発光効率を向上できる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様によれば、発光素子は、下方から上方に向かって順に、第１活性層を有する第１発光部と、トンネル接合部と、第２活性層を有する第２発光部とを備え、前記第１活性層は、複数の第１井戸層と、前記複数の第１井戸層のうち隣り合う第１井戸層間に位置し、前記第１井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１障壁層とを有し、前記第２活性層は、複数の第２井戸層と、前記複数の第２井戸層のうち隣り合う第２井戸層間に位置し、前記第２井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２障壁層とを有し、前記第２障壁層は、ｎ型不純物とガリウムとを含み、前記第１障壁層のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する窒化物半導体層であり、前記第２障壁層におけるｎ型不純物濃度のピークは、前記第１発光部側にある。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、発光効率を向上できる発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】実施形態の発光素子の断面図である。
【図2】実施形態の第１活性層の断面図である。
【図3】実施形態の第２活性層の断面図である。
【図4】実施形態の変形例の第２活性層の一部の断面図である。
【図5A】実施形態の発光素子の順電圧の測定結果を示すグラフである。
【図5B】実施形態の発光素子の光出力の測定結果を示すグラフである。
【図6A】実施形態の発光素子の順電圧の測定結果を示すグラフである。
【図6B】実施形態の発光素子の光出力の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。なお、各図面は、実施形態を模式的に示したものであるため、各部材のスケール、間隔若しくは位置関係などが誇張、又は部材の一部の図示を省略する場合がある。また、断面図として、切断面のみを示す端面図を示す場合がある。
【0009】
図１は、実施形態の発光素子１の断面図である。
発光素子１は、基板１０と、半導体構造体２０と、ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とを有する。
発光素子１は、基板１０と、半導体構造体２０と、ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とを有する。
【0010】
基板１０は、半導体構造体２０を支持する。基板１０の材料として、例えば、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどを用いることができる。基板１０としてサファイア基板を用いる場合、半導体構造体２０はサファイア基板のｃ面上に配置される。
【0011】
半導体構造体２０は、窒化物半導体からなる複数の半導体層が積層された積層体である。窒化物半導体は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含み得る。例えば、半導体構造体２０は、基板１０上にエピタキシャル成長させることで形成する。
【0012】
本明細書において、下方は、上方よりも相対的に基板１０に近い側を表す。半導体構造体２０は、下方から上方に向かって順に、第１発光部２１と、トンネル接合部３０と、第２発光部２２とを備える。
【0013】
第１発光部２１は、基板１０上に位置するｎ側窒化物半導体層４１と、ｎ側窒化物半導体層４１上に位置する第１超格子層５０と、第１超格子層５０上に位置する第１活性層６０と、第１活性層６０上に位置する第１ｐ側窒化物半導体層４２とを有する。
【0014】
第２発光部２２は、トンネル接合部３０上に位置する第２超格子層７０と、第２超格子層７０上に位置する第２活性層８０と、第２活性層８０上に位置する第２ｐ側窒化物半導体層４３とを有する。
【0015】
ｎ側窒化物半導体層４１は、ｎ型不純物を含むｎ型層を有する。ｎ型層は、例えば、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含む。または、ｎ型層は、ｎ型不純物としてゲルマニウム（Ｇｅ）を含んでもよい。ｎ側窒化物半導体層４１は、電子を供給する機能を有していればよく、ｎ型不純物やｐ型不純物を意図的にドープせずに形成したアンドープ層を含んでいてもよい。アンドープ層がｎ型不純物及び／又はｐ型不純物を意図的にドープした層と隣接している場合は、その隣接した層からの拡散等によって、アンドープ層にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物が含まれる場合がある。
【0016】
第１ｐ側窒化物半導体層４２及び第２ｐ側窒化物半導体層４３は、ｐ型不純物を含むｐ型層を有する。ｐ型層は、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含む。第１ｐ側窒化物半導体層４２及び第２ｐ側窒化物半導体層４３は、正孔を供給する機能を有していればよく、アンドープ層を含んでいてもよい。
【0017】
第１活性層６０及び第２活性層８０は、後述するように、複数の井戸層と複数の障壁層とを含む多重量子井戸構造を有する。第１活性層６０及び第２活性層８０は、例えば、青色光又は緑色光を発することができる。青色光の発光ピーク波長は、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。緑色光の発光ピーク波長は、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。第１活性層６０の発光ピーク波長と第２活性層８０の発光ピーク波長は、同じでも、異なっていてもよい。第１活性層６０及び第２活性層８０は、青色光よりも短い発光ピーク波長の光、あるいは緑色光よりも長い発光ピーク波長の光を発することもできる。
【0018】
トンネル接合部３０は、窒化物半導体層を含む。トンネル接合部３０は、第１ｐ側窒化物半導体層４２とトンネル接合を形成する。トンネル接合部３０は、ｐ型層及びｎ型層のうち少なくとも１つの半導体層を有する。ｐ型層は、第１ｐ側窒化物半導体層４２の上面に接して配置され、ｐ型不純物として、例えばマグネシウムを含む。ｎ型層は、ｐ型層を配置する場合、ｐ型層の上面に接して配置される。またｐ型層を配置しない場合、ｎ型層は第１ｐ側窒化物半導体層４２の上面に接して配置される。ｎ型層は、ｎ型不純物として、例えばシリコンを含む。
【0019】
第１超格子層５０は、ｎ側窒化物半導体層４１と第１活性層６０との間に位置する。第２超格子層７０は、トンネル接合部３０と第２活性層８０との間に位置する。第１超格子層５０及び第２超格子層７０を配置することで、基板１０と半導体構造体２０との間の格子不整合を緩和し、半導体構造体２０における結晶欠陥を低減することができる。
【0020】
第１超格子層５０及び第２超格子層７０のそれぞれは、複数の第１窒化物半導体層と、複数の第２窒化物半導体層とを有する。第１超格子層５０及び第２超格子層７０のそれぞれは、例えば、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層の組を１５個以上２５個以下有することができる。第１超格子層５０及び第２超格子層７０のそれぞれは、例えば、２０層の第１窒化物半導体層と、２０層の第２窒化物半導体層とを有することができる。第１超格子層５０及び第２超格子層７０のそれぞれにおいて、最も下方（最下層）に第２窒化物半導体層が位置し、最も上方（最上層）に第１窒化物半導体層が位置する。最下層の第２窒化物半導体層から最上層の第１窒化物半導体層に向かって、第２窒化物半導体層と第１窒化物半導体層とが交互に配置されている。
【0021】
第１窒化物半導体層の組成と第２窒化物半導体層の組成とは異なる。第１超格子層５０の第１窒化物半導体層は、例えば、アンドープのＩｎＧａＮ層である。このＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は５％以上１０％以下とすることができる。第１超格子層５０の第２窒化物半導体層は、例えば、アンドープのＧａＮ層である。第２超格子層７０の第１窒化物半導体層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＩｎＧａＮ層である。このＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は５％以上１０％以下とすることができる。第２超格子層７０の第２窒化物半導体層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＧａＮ層である。第２超格子層７０の第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下とすることができる。なお、第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度とは、第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層におけるｎ型不純物濃度のうち、最も高いｎ型不純物濃度である。
【0022】
第１超格子層５０及び第２超格子層７０において、第１窒化物半導体層の厚さは、第２窒化物半導体層の厚さよりも薄い。例えば、第１窒化物半導体層の厚さを０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることができる。例えば、第２窒化物半導体層の厚さを１．５ｎｍ以上３ｎｍとすることができる。
【0023】
ｎ側窒化物半導体層４１は、他の半導体層が設けられていないｎ側コンタクト面４１ａを有する。ｎ側コンタクト面４１ａ上にｎ側電極１２が配置されている。ｎ側電極１２は、ｎ側窒化物半導体層４１に電気的に接続している。
【0024】
第２ｐ側窒化物半導体層４３の上面上に、ｐ側電極１１が配置されている。ｐ側電極１１は、第２ｐ側窒化物半導体層４３に電気的に接続している。
【0025】
ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に順方向の電圧を印加する。このとき、第２発光部２２の第２ｐ側窒化物半導体層４３と、第１発光部２１のｎ側窒化物半導体層４１との間に順方向の電圧が印加され、第１活性層６０及び第２活性層８０に正孔および電子が供給されることで第１活性層６０及び第２活性層８０が発光する。
【0026】
実施形態の発光素子１によれば、第１活性層６０の上に第２活性層８０を配置することで、１つの活性層を有する発光素子に比べて、単位面積当たりの出力を高くすることができる。
【0027】
ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に順方向の電圧が印加されたとき、トンネル接合部３０と第１ｐ側窒化物半導体層４２とが形成するトンネル接合には逆方向電圧が印加されることになる。そのため、トンネル接合を形成するｐ型層及びｎ型層の不純物濃度を高くすることで、トンネル接合部３０と第１ｐ側窒化物半導体層４２との接合により形成される空乏層の幅を狭くしている。これにより、ｐ型層の価電子帯に存在する電子を、ｎ型層の伝導帯にトンネリングさせることでトンネル接合部３０に電流を流しやすくできる。
【0028】
以下、第１活性層６０及び第２活性層８０の詳細について説明する。
【0029】
＜第１活性層＞
図２に示すように、第１活性層６０は、複数の第１井戸層６１と、少なくとも１つの第１障壁層６５とを有する。第１活性層６０は、例えば、３以上の第１井戸層６１と、２以上の第１障壁層６５とを有する。第１活性層６０は、例えば、７層の第１井戸層６１と、６層の第１障壁層６５とを有することができる。それぞれの第１障壁層６５は、複数の第１井戸層６１のうち隣り合う第１井戸層６１間に位置する。さらに、第１活性層６０は、第１活性層６０において最も下方に位置する第４障壁層６３と、第１活性層６０において最も上方に位置する第５障壁層６４とを有することができる。複数の第１障壁層６５のうちの最も下方に位置する第１障壁層６５と、第４障壁層６３との間に、第１井戸層６１が配置されている。複数の第１障壁層６５のうちの最も上方に位置する第１障壁層６５と、第５障壁層６４との間に第１井戸層６１が配置されている。第４障壁層６３と第５障壁層６４との間において、第１井戸層６１と第１障壁層６５とが交互に配置されている。
図２に示すように、第１活性層６０は、複数の第１井戸層６１と、少なくとも１つの第１障壁層６５とを有する。第１活性層６０は、例えば、３以上の第１井戸層６１と、２以上の第１障壁層６５とを有する。第１活性層６０は、例えば、７層の第１井戸層６１と、６層の第１障壁層６５とを有することができる。それぞれの第１障壁層６５は、複数の第１井戸層６１のうち隣り合う第１井戸層６１間に位置する。さらに、第１活性層６０は、第１活性層６０において最も下方に位置する第４障壁層６３と、第１活性層６０において最も上方に位置する第５障壁層６４とを有することができる。複数の第１障壁層６５のうちの最も下方に位置する第１障壁層６５と、第４障壁層６３との間に、第１井戸層６１が配置されている。複数の第１障壁層６５のうちの最も上方に位置する第１障壁層６５と、第５障壁層６４との間に第１井戸層６１が配置されている。第４障壁層６３と第５障壁層６４との間において、第１井戸層６１と第１障壁層６５とが交互に配置されている。
【0030】
第１障壁層６５、第４障壁層６３、及び第５障壁層６４のバンドギャップは、第１井戸層６１のバンドギャップよりも広い。第１井戸層６１、第１障壁層６５、第４障壁層６３、及び第５障壁層６４は、ガリウムを含む窒化物半導体層である。第１井戸層６１は、ガリウム及びインジウムを含む。例えば、第１井戸層６１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１井戸層６１をＩｎＧａＮ層とする場合、Ｉｎ組成比は１２％以上１８％以下とすることができる。第１井戸層６１は、アルミニウムを含んでいてもよい。第１障壁層６５及び第５障壁層６４は、例えば、アンドープのＧａＮ層である。第１障壁層６５のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ－３以下とすることができる。第４障壁層６３は、例えば、ｎ型ＧａＮ層である。第４障壁層６３は、ｎ型不純物として、シリコン又はゲルマニウムを含む。
【0031】
第１障壁層６５の厚さ及び第５障壁層６４の厚さは、第１井戸層６１の厚さよりも厚い。例えば、第１井戸層６１の厚さは、２．５ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることできる。例えば、第１障壁層６５の厚さ及び第５障壁層６４の厚さは、３ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。また、第４障壁層６３の厚さは、３ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。
【0032】
＜第２活性層＞
図３に示すように、第２活性層８０は、複数の第２井戸層８１と、少なくとも１つの第２障壁層８２とを有する。第２活性層８０は、例えば、３以上の第２井戸層８１と、２以上の第２障壁層８２とを有する。第２活性層８０は、例えば、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８２とを有することができる。それぞれの第２障壁層８２は、複数の第２井戸層８１のうち隣り合う第２井戸層８１間に位置する。
図３に示すように、第２活性層８０は、複数の第２井戸層８１と、少なくとも１つの第２障壁層８２とを有する。第２活性層８０は、例えば、３以上の第２井戸層８１と、２以上の第２障壁層８２とを有する。第２活性層８０は、例えば、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８２とを有することができる。それぞれの第２障壁層８２は、複数の第２井戸層８１のうち隣り合う第２井戸層８１間に位置する。
【0033】
さらに、第２活性層８０は、第２活性層８０において最も下方に位置する第６障壁層８３と、第２活性層８０において最も上方に位置する第３障壁層８４とを有することができる。複数の第２障壁層８２のうちの最も下方に位置する第２障壁層８２と、第６障壁層８３との間に、第２井戸層８１が配置されている。複数の第２障壁層８２のうちの最も上方に位置する第２障壁層８２と、第３障壁層８４との間に、第２井戸層８１が配置されている。第６障壁層８３と第３障壁層８４との間において、第２井戸層８１と第２障壁層８２とが交互に配置されている。
【0034】
第２障壁層８２、第６障壁層８３、及び第３障壁層８４のバンドギャップは、第２井戸層８１のバンドギャップよりも広い。第２井戸層８１、第２障壁層８２、第６障壁層８３、及び第３障壁層８４は、ガリウムを含む窒化物半導体層である。
【0035】
第２井戸層８１は、ガリウムとインジウムを含むことができる。第２井戸層８１は、例えば、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第２井戸層８１をＩｎＧａＮ層とする場合、Ｉｎ組成比は１２％以上１８％以下とすることができる。第２井戸層８１は、アルミニウムを含んでいてもよい。
【0036】
第２障壁層８２は、ｎ型不純物とガリウムを含む。第２障壁層８２は、ｎ型不純物として、例えば、シリコン又はゲルマニウムを含む。第２障壁層８２のｎ型不純物濃度は、第１活性層６０の第１障壁層６５のｎ型不純物濃度よりも高い。少なくとも１つの第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度のピークは、第１発光部２１側にある。すべての第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度のピークが、第１発光部２１側にあることが好ましい。
【0037】
少なくとも１つの第２障壁層８２は、第１発光部２１側から順に、第１層８２ａと、第２層８２ｂとを有する。すべての第２障壁層８２が、第１層８２ａと第２層８２ｂとを有することが好ましい。第１層８２ａを形成した後に、第１層８２ａ上に第２層８２ｂを形成することで、第１層８２ａ及び第２層８２ｂを含む第２障壁層８２が形成される。例えば、第１層８２ａとしてｎ型ＧａＮ層を形成した後に、第１層８２ａ上に第２層８２ｂとしてアンドープのＧａＮ層を形成することで、第２障壁層８２が形成される。
【0038】
第１層８２ａのｎ型不純物濃度は、第２層８２ｂのｎ型不純物濃度よりも高い。第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度のピークは、第１層８２ａに位置する。第１層８２ａのｎ型不純物濃度は、トンネル接合部３０のｎ型不純物濃度よりも低い。また、第１層８２ａのｎ型不純物濃度は、第２超格子層７０のｎ型不純物濃度よりも低い。第１層８２ａのｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１８ｃｍ－３以下とすることができる。トンネル接合部３０のｎ型不純物濃度は、１×１０２０ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３以下とすることができる。第２超格子層７０のｎ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下とすることができる。また、第１層８２ａのｎ型不純物濃度は、第２障壁層８２におけるｐ型不純物濃度よりも高いことが好ましい。これにより、後述する第２発光部２２の第２活性層８０が意図せずｐ型化することを低減することができる。なお、第１層８２ａのｎ型不純物濃度とは、第１層８２ａにおけるｎ型不純物濃度のうち、最も高いｎ型不純物濃度である。第２障壁層８２におけるｐ型不純物濃度とは、第２障壁層８２におけるｐ型不純物濃度のうち、最も高いｐ型不純物濃度である。
【0039】
第３障壁層８４のｎ型不純物濃度は、第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度よりも低い。第３障壁層８４は、例えば、アンドープのＧａＮ層である。第６障壁層８３は、例えば、ｎ型ＧａＮ層である。第６障壁層８３は、ｎ型不純物として、シリコン又はゲルマニウムを含む。第３障壁層８４のｎ型不純物濃度とは、第３障壁層８４におけるｎ型不純物濃度のうち、最も高いｎ型不純物濃度である。
【0040】
第２障壁層８２の厚さ及び第３障壁層８４の厚さは、第２井戸層８１の厚さよりも厚い。例えば、第２井戸層８１の厚さは、２．５ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることできる。例えば、第２障壁層８２の厚さ及び第３障壁層８４の厚さは、３ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。また、第６障壁層８３の厚さは、３ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。
【0041】
第２障壁層８２の第１層８２ａの厚さは、第２障壁層８２の厚さの１０％以上５０％以下とすることが好ましく、第２障壁層８２の厚さの１０％以上２５％以下とすることがさらに好ましい。第２障壁層８２の第１層８２ａの厚さを、第２障壁層８２の厚さの１０％以上５０％以下とすることで発光素子の順電圧を低減しつつ、光出力を高くしやすい。第２障壁層８２の第１層８２ａの厚さを、第２障壁層８２の厚さの１０％以上２５％以下とすることで発光素子の順電圧を低減しつつ、光出力をより向上させることができる。第１層８２ａの厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の厚さの範囲とすることが好ましく、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚さの範囲にすることがさらに好ましい。
【0042】
第１発光部上にトンネル接合部を介して第２発光部を形成する発光素子において、例えば第１ｐ側窒化物半導体層に含まれるｐ型不純物（例えばマグネシウム）が、トンネル接合部上に第２発光部を形成する際に第２発光部に拡散するおそれがある。第２発光部にｐ型不純物が拡散すると第２発光部の第２活性層が意図せずｐ型化し、発光素子の順電圧が上昇してしまう。この結果、発光素子の発光効率が低下してしまう。
【0043】
実施形態によれば、第２発光部２２の第２活性層８０の第２障壁層８２は、第１発光部２１の第１活性層６０の第１障壁層６５よりも高い濃度でｎ型不純物を含み、第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度のピークが第１発光部２１側にある。これにより、第１ｐ側窒化物半導体層４２からｐ型不純物が拡散することによる第２活性層８０のｐ型化を低減することができる。この結果、第２発光部２２への電子の注入効率を向上させ、内部量子効率を向上できるので、順電圧を低減し発光効率を高くすることができる。
【0044】
なお、第１発光部２１側において第１活性層６０の第１障壁層６５のｎ型不純物濃度を比較的高くしても、発光素子１の発光効率の向上にはつながりにくい傾向がある。これは、第１ｐ側窒化物半導体層４２に含まれるｐ型不純物は第２発光部２２側に拡散しやすく、第１発光部２１では、第１活性層６０が意図せずｐ型化する事態が生じにくいためである。
【0045】
また、第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度のピークが、第１発光部２１側ではなく、第２ｐ側窒化物半導体層４３側にあると、第２障壁層８２の上に形成される第２井戸層８１にｎ型不純物が意図せず混入し結晶性が悪化してしまうおそれがある。実施形態によれば、第２障壁層８２におけるｎ型不純物濃度のピークを第１発光部２１側にすることで、第２活性層８０がｐ型化することを低減しつつ、第２井戸層８１の結晶性を維持することができる。その結果、発光効率が向上された発光素子を提供することができる。
【0046】
次に、実施形態の発光素子１のサンプルを作製し、順電圧と光出力を測定した結果について説明する。
【0047】
発光素子１のサンプルは、以下の構成を有する。
基板１０はサファイア基板である。
ｎ側窒化物半導体層４１は、ｎ型不純物としてシリコンを含む。ｎ側窒化物半導体層４１のシリコン濃度は、約１×１０１９ｃｍ－３である。なお、ｎ側窒化物半導体層４１のシリコン濃度とは、ｎ側窒化物半導体層４１におけるシリコン濃度のうち、最も高いシリコン濃度である。ｎ側窒化物半導体層４１の厚さは、約５μｍである。
第１超格子層５０は、２０層のアンドープのＩｎＧａＮ層と、２０層のアンドープのＧａＮ層とを有する。第１超格子層５０において、最も下方（最下層）にＧａＮ層が位置し、最も上方（最上層）にＩｎＧａＮ層が位置する。最下層のＧａＮ層から最上層のＩｎＧａＮ層に向かって、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に配置されている。ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、約７％である。ＩｎＧａＮ層の厚さは、約１ｎｍである。ＧａＮ層の厚さは、約２ｎｍである。
第１活性層６０は、７層の第１井戸層６１と、６層の第１障壁層６５とを有する。さらに、第１活性層６０は、第１活性層６０において最も下方に位置する第４障壁層６３と、第１活性層６０において最も上方に位置する第５障壁層６４とを有する。第１井戸層６１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１井戸層６１におけるＩｎ組成比は、約１５％である。第１井戸層６１の厚さは約３．５ｎｍである。第１障壁層６５は、アンドープのＧａＮ層である。第１障壁層６５の厚さは、約４ｎｍである。第４障壁層６３は、第１超格子層５０側から順に、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層とを含む。第４障壁層６３の厚さは、約３．５ｎｍである。第５障壁層６４は、アンドープのＧａＮ層である。第５障壁層６４の厚さは、約４ｎｍである。
第１ｐ側窒化物半導体層４２は、ｐ型不純物としてマグネシウムを含む。第１ｐ側窒化物半導体層４２のマグネシウム濃度は、約５×１０２０ｃｍ－３である。なお、第１ｐ側窒化物半導体層４２のマグネシウム濃度とは、第１ｐ側窒化物半導体層４２におけるマグネシウム濃度のうち、最も高いマグネシウム濃度である。第１ｐ側窒化物半導体層４２の厚さは、約８０ｎｍである。
トンネル接合部３０は、第１ｐ側窒化物半導体層４２側から順に、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層と、シリコンがドープされたｎ型ＧａＮ層とを含む。ｎ型ＧａＮ層のシリコン濃度は、約５×１０２０ｃｍ－３である。ｎ型ＧａＮ層の厚さは、約１５０ｎｍである。
第２超格子層７０は、２０層のシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層と、２０層のシリコンがドープされたＧａＮ層とを有する。第２超格子層７０において、最も下方（最下層）にＧａＮ層が位置し、最も上方（最上層）にＩｎＧａＮ層が位置する。最下層のＧａＮ層から最上層のＩｎＧａＮ層に向かって、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に配置されている。ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、約７％である。ＩｎＧａＮ層の厚さは、約１ｎｍである。ＧａＮ層の厚さは、約２ｎｍである。ＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層のシリコン濃度は、約１×１０１９ｃｍ－３である。
第２活性層８０は、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８２とを有する。さらに、第２活性層８０は、第２活性層８０において最も下方に位置する第６障壁層８３と、第２活性層８０において最も上方に位置する第３障壁層８４とを有する。第２井戸層８１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第２井戸層８１におけるＩｎ組成比は、約１５％である。第２井戸層８１の厚さは約３．５ｎｍである。第２障壁層８２は、第１層８２ａと第２層８２ｂとを有する。第１層８２ａは、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第２層８２ｂは、アンドープのＧａＮ層である。第６障壁層８３は、第２超格子層７０側から順に、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層とを含む。第６障壁層８３の厚さは、約３．５ｎｍである。第３障壁層８４は、アンドープのＧａＮ層である。第３障壁層８４の厚さは、約４ｎｍである。
第２ｐ側窒化物半導体層４３は、ｐ型不純物としてマグネシウムを含む。第２ｐ側窒化物半導体層４３のマグネシウム濃度は、約５×１０２０ｃｍ－３である。なお、第２ｐ側窒化物半導体層４３のマグネシウム濃度とは、第２ｐ側窒化物半導体層４３におけるマグネシウム濃度のうち、最も高いマグネシウム濃度である。第２ｐ側窒化物半導体層４３の厚さは、約１００ｎｍである。
基板１０はサファイア基板である。
ｎ側窒化物半導体層４１は、ｎ型不純物としてシリコンを含む。ｎ側窒化物半導体層４１のシリコン濃度は、約１×１０１９ｃｍ－３である。なお、ｎ側窒化物半導体層４１のシリコン濃度とは、ｎ側窒化物半導体層４１におけるシリコン濃度のうち、最も高いシリコン濃度である。ｎ側窒化物半導体層４１の厚さは、約５μｍである。
第１超格子層５０は、２０層のアンドープのＩｎＧａＮ層と、２０層のアンドープのＧａＮ層とを有する。第１超格子層５０において、最も下方（最下層）にＧａＮ層が位置し、最も上方（最上層）にＩｎＧａＮ層が位置する。最下層のＧａＮ層から最上層のＩｎＧａＮ層に向かって、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に配置されている。ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、約７％である。ＩｎＧａＮ層の厚さは、約１ｎｍである。ＧａＮ層の厚さは、約２ｎｍである。
第１活性層６０は、７層の第１井戸層６１と、６層の第１障壁層６５とを有する。さらに、第１活性層６０は、第１活性層６０において最も下方に位置する第４障壁層６３と、第１活性層６０において最も上方に位置する第５障壁層６４とを有する。第１井戸層６１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１井戸層６１におけるＩｎ組成比は、約１５％である。第１井戸層６１の厚さは約３．５ｎｍである。第１障壁層６５は、アンドープのＧａＮ層である。第１障壁層６５の厚さは、約４ｎｍである。第４障壁層６３は、第１超格子層５０側から順に、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層とを含む。第４障壁層６３の厚さは、約３．５ｎｍである。第５障壁層６４は、アンドープのＧａＮ層である。第５障壁層６４の厚さは、約４ｎｍである。
第１ｐ側窒化物半導体層４２は、ｐ型不純物としてマグネシウムを含む。第１ｐ側窒化物半導体層４２のマグネシウム濃度は、約５×１０２０ｃｍ－３である。なお、第１ｐ側窒化物半導体層４２のマグネシウム濃度とは、第１ｐ側窒化物半導体層４２におけるマグネシウム濃度のうち、最も高いマグネシウム濃度である。第１ｐ側窒化物半導体層４２の厚さは、約８０ｎｍである。
トンネル接合部３０は、第１ｐ側窒化物半導体層４２側から順に、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層と、シリコンがドープされたｎ型ＧａＮ層とを含む。ｎ型ＧａＮ層のシリコン濃度は、約５×１０２０ｃｍ－３である。ｎ型ＧａＮ層の厚さは、約１５０ｎｍである。
第２超格子層７０は、２０層のシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層と、２０層のシリコンがドープされたＧａＮ層とを有する。第２超格子層７０において、最も下方（最下層）にＧａＮ層が位置し、最も上方（最上層）にＩｎＧａＮ層が位置する。最下層のＧａＮ層から最上層のＩｎＧａＮ層に向かって、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に配置されている。ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、約７％である。ＩｎＧａＮ層の厚さは、約１ｎｍである。ＧａＮ層の厚さは、約２ｎｍである。ＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層のシリコン濃度は、約１×１０１９ｃｍ－３である。
第２活性層８０は、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８２とを有する。さらに、第２活性層８０は、第２活性層８０において最も下方に位置する第６障壁層８３と、第２活性層８０において最も上方に位置する第３障壁層８４とを有する。第２井戸層８１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第２井戸層８１におけるＩｎ組成比は、約１５％である。第２井戸層８１の厚さは約３．５ｎｍである。第２障壁層８２は、第１層８２ａと第２層８２ｂとを有する。第１層８２ａは、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第２層８２ｂは、アンドープのＧａＮ層である。第６障壁層８３は、第２超格子層７０側から順に、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層とを含む。第６障壁層８３の厚さは、約３．５ｎｍである。第３障壁層８４は、アンドープのＧａＮ層である。第３障壁層８４の厚さは、約４ｎｍである。
第２ｐ側窒化物半導体層４３は、ｐ型不純物としてマグネシウムを含む。第２ｐ側窒化物半導体層４３のマグネシウム濃度は、約５×１０２０ｃｍ－３である。なお、第２ｐ側窒化物半導体層４３のマグネシウム濃度とは、第２ｐ側窒化物半導体層４３におけるマグネシウム濃度のうち、最も高いマグネシウム濃度である。第２ｐ側窒化物半導体層４３の厚さは、約１００ｎｍである。
【0048】
図５Ａは、順電流を１２０ｍＡとしたときの発光素子１のサンプルの順電圧の測定結果を示すグラフである。それぞれの発光素子１のサンプルの第１層８２ａにおけるシリコン濃度は、約１×１０１８ｃｍ－３とした。図５Ａにおいて、横軸は、第２障壁層８２におけるシリコン濃度のピークが位置する第１層８２ａの厚さ（ｎｍ）を表す。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、第１層８２ａの厚さを、０．５ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、及び４ｎｍとした場合の測定結果を表す。なお、第１層８２ａの厚さが０とは、第２障壁層８２が第１層８２ａを含まず、アンドープのＧａＮ層からなることを表す。また、それぞれの第２障壁層８２の厚さは４ｎｍであり、第１層８２ａの厚さが４ｎｍとは、第２障壁層８２が、シリコンがドープされたｎ型の第１層８２ａからなることを表す。図５Ａにおいて、縦軸は、第１層８２ａの厚さが０の場合の順電圧（０．００Ｖ）に対する順電圧の変化量（Ｖ）を表す。
【0049】
図５Ｂは、順電流を１２０ｍＡとしたときの発光素子１のサンプルの光出力の測定結果を示すグラフである。それぞれの発光素子１のサンプルの第１層８２ａにおけるシリコン濃度は、約１×１０１８ｃｍ－３とした。図５Ｂにおいて、横軸は、第２障壁層８２における第１層８２ａの厚さ（ｎｍ）を表す。図５Ｂにおいて、縦軸は、第１層８２ａの厚さが０の場合の光出力（１．００）に対する光出力の相対値を表す。
【0050】
図５Ａ及び図５Ｂに示す結果より、実施形態の発光素子１のサンプルにおいて、第１層８２ａの厚さが０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下のときに、第１層８２ａの厚さが０の場合よりも順電圧が低減した。また、第１層８２ａの厚さが０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下のときに、第１層８２ａの厚さが０の場合よりも順電圧を低減しつつ、第１層８２ａの厚さが０の場合と同等以上の光出力が得られた。したがって、順電圧を低減しつつ光出力を同等以上とするためには、第２障壁層８２における第１層８２ａの厚さは０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下が好ましい。また、第１層８２ａの厚さが０の場合よりも順電圧を低減しつつ、さらに光出力を高めるには、第１層８２ａの厚さは０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下がより好ましい。
【0051】
図６Ａは、順電流を１２０ｍＡとし、第１層８２ａのシリコン濃度を変えたときの発光素子１のサンプルの順電圧の測定結果を示すグラフである。それぞれの第２障壁層８２の厚さは約４ｎｍとし、それぞれの第２障壁層８２における第１層８２ａの厚さは、約０．５ｎｍとした。図６Ａにおいて、横軸は、第１層８２ａのシリコン濃度（ｃｍ－３）を表す。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、第１層８２ａのシリコン濃度を、２×１０１８ｃｍ－３、５×１０１８ｃｍ－３、及び１×１０１９ｃｍ－３とした場合の測定結果を表す。シリコン濃度が０とは、第２障壁層８２が、第１層８２ａを含まず、アンドープのＧａＮ層からなることを表す。図６Ａにおいて、縦軸は、シリコン濃度が０の場合の順電圧（０．００Ｖ）に対する順電圧の変化量（Ｖ）を表す。
【0052】
図６Ｂは、順電流を１２０ｍＡとし、第１層８２ａのシリコン濃度を変えたときの発光素子１のサンプルの光出力の測定結果を示すグラフである。それぞれの第２障壁層８２の厚さは約４ｎｍとし、それぞれの第２障壁層８２における第１層８２ａの厚さは、約０．５ｎｍとした。図６Ｂにおいて、横軸は、第１層８２ａのシリコン濃度（ｃｍ－３）を表す。図６Ｂにおいて、縦軸は、シリコン濃度が０の場合の光出力（１．００）に対する光出力の相対値を表す。
【0053】
図６Ａ及び図６Ｂに示す結果より、実施形態の発光素子１のサンプルにおいて、第１層８２ａのシリコン濃度を２×１０１８ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下のときに、シリコン濃度が０の場合よりも順電圧が低減した。また、第１層８２ａのシリコン濃度が２×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１８ｃｍ－３以下のときに、シリコン濃度が０の場合よりも順電圧を低減しつつ、シリコン濃度が０の場合と同等以上の光出力が得られた。したがって、第１層８２ａのシリコン濃度は２×１０１８ｃｍ－３以上５×１０１８ｃｍ－３以下が好ましい。
【0054】
図４に示すように、第２障壁層８２は、第１層８２ａよりも第１発光部２１側に位置する第３層８２ｃをさらに有することができる。図４は、実施形態の変形例による第２活性層８０の一部の断面図である。図４には、隣り合う２層の第２井戸層８１と、それら第２井戸層８１間に位置する１層の第２障壁層８２を示す。
【0055】
第２井戸層８１を形成した後、第２井戸層８１上に第３層８２ｃを形成し、第３層８２ｃを形成した後、第３層８２ｃ上に第１層８２ａを形成し、第１層８２ａを形成した後、第１層８２ａ上に第２層８２ｂを形成することで、第２障壁層８２が形成される。例えば、第３層８２ｃとしてアンドープのＧａＮ層を形成し、その第３層８２ｃ上に第１層８２ａとしてｎ型ＧａＮ層を形成し、その第１層８２ａ上に第２層８２ｂとしてアンドープのＧａＮ層を形成することで、第２障壁層８２が形成される。このような第３層８２ｃを配置することで、第１層８２ａを第２井戸層８１上に接して形成する場合よりも第１層８２ａの結晶性を向上させ、その第１層８２ａの上方に位置する第２井戸層８１の結晶性も向上させることができる。これにより、発光素子１の発光効率の向上させることができる。
【0056】
第２層８２ｂのｎ型不純物濃度及び第３層８２ｃのｎ型不純物濃度は、第１層８２ａのｎ型不純物濃度よりも低い。これにより、第１層８２ａの結晶性をより向上させることができる。第３層８２ｃは、第２層８２ｂよりも薄い。第３層８２ｃの厚さは、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることができる。
【0057】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものである。
【符号の説明】
【0058】
１…発光素子、１０…基板、２０…半導体構造体、２１…第１発光部、２２…第２発光部、３０…トンネル接合部、４１…ｎ側窒化物半導体層、４２…第１ｐ側窒化物半導体層、４３…第２ｐ側窒化物半導体層、５０…第１超格子層、６０…第１活性層、６１…第１井戸層、６５…第１障壁層、７０…第２超格子層、８０…第２活性層、８１…第２井戸層、８２…第２障壁層、８２ａ…第１層、８２ｂ…第２層、８２ｃ…第３層、８４…第３障壁層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】