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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】P2023076266
(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】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021189590
(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、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、アルミニウムとガリウムを含み、第１障壁層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する窒化物半導体層を有する。第２障壁層のアルミニウム組成比のピークは、第１発光部側にある。
【選択図】図１
【解決手段】発光素子は、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、アルミニウムとガリウムを含み、第１障壁層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する窒化物半導体層を有する。第２障壁層のアルミニウム組成比のピークは、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、アルミニウムとガリウムを含み、前記第１障壁層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する窒化物半導体層を有し、
前記第２障壁層のアルミニウム組成比のピークは、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、アルミニウムとガリウムを含み、前記第１障壁層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する窒化物半導体層を有し、
前記第２障壁層のアルミニウム組成比のピークは、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障壁層におけるアルミニウム組成比のピークは、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２％以上２５％以下である請求項１に記載の発光素子。
前記第２障壁層におけるアルミニウム組成比のピークは、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２％以上２５％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、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚さの範囲にある請求項２に記載の発光素子。
【請求項4】
前記第１層のアルミニウム組成比は、３％以上５％以下である請求項２又は３に記載の発光素子。
【請求項5】
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層のアルミニウム組成比及び前記第３層のアルミニウム組成比は、前記第１層のアルミニウム組成比よりも低い請求項２～４のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第２層のアルミニウム組成比及び前記第３層のアルミニウム組成比は、前記第１層のアルミニウム組成比よりも低い請求項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発光部は、前記第２活性層と前記トンネル接合部との間に位置する超格子層をさらに有し、
前記超格子層は、複数の第１窒化物半導体層と、前記複数の第１窒化物半導体層のうち隣り合う第１窒化物半導体層間に位置する第２窒化物半導体層とを有し、
前記第２窒化物半導体層は、アルミニウムとガリウムを含み、
前記第２窒化物半導体層におけるアルミニウム組成比のピークは、前記第１発光部側にある請求項１～５のいずれか１つに記載の発光素子。
前記超格子層は、複数の第１窒化物半導体層と、前記複数の第１窒化物半導体層のうち隣り合う第１窒化物半導体層間に位置する第２窒化物半導体層とを有し、
前記第２窒化物半導体層は、アルミニウムとガリウムを含み、
前記第２窒化物半導体層におけるアルミニウム組成比のピークは、前記第１発光部側にある請求項１～５のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項7】
前記第１窒化物半導体層及び前記第２窒化物半導体層は、ｎ型不純物を含む請求項６に記載の発光素子。
【請求項8】
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障壁層におけるアルミニウム組成比のピークは、前記第１発光部側にある請求項１～７のいずれか１つに記載の発光素子。
すべての前記第２障壁層におけるアルミニウム組成比のピークは、前記第１発光部側にある請求項１～７のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項9】
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障壁層のアルミニウム組成比は、前記第２障壁層におけるアルミニウム組成比よりも低い請求項１～８のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第３障壁層のアルミニウム組成比は、前記第２障壁層におけるアルミニウム組成比よりも低い請求項１～８のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項10】
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発光部は、前記第１活性層の下方に位置し、複数の第１窒化物半導体層と、前記複数の第１窒化物半導体層のうち隣り合う第１窒化物半導体層間に位置する第２窒化物半導体層とを有する第１超格子層を有し、
前記第２発光部は、前記第２活性層と前記トンネル接合部との間に位置し、複数の第３窒化物半導体層と、前記複数の第３窒化物半導体層のうち隣り合う第３窒化物半導体層間に位置する第４窒化物半導体層とを有する第２超格子層を有し、
前記第４窒化物半導体層は、アルミニウムとガリウムを含み、前記第２窒化物半導体層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有し、
前記第４窒化物半導体層におけるアルミニウム組成比のピークは、前記第１発光部側にある発光素子。
前記第１発光部は、前記第１活性層の下方に位置し、複数の第１窒化物半導体層と、前記複数の第１窒化物半導体層のうち隣り合う第１窒化物半導体層間に位置する第２窒化物半導体層とを有する第１超格子層を有し、
前記第２発光部は、前記第２活性層と前記トンネル接合部との間に位置し、複数の第３窒化物半導体層と、前記複数の第３窒化物半導体層のうち隣り合う第３窒化物半導体層間に位置する第４窒化物半導体層とを有する第２超格子層を有し、
前記第４窒化物半導体層は、アルミニウムとガリウムを含み、前記第２窒化物半導体層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有し、
前記第４窒化物半導体層におけるアルミニウム組成比のピークは、前記第１発光部側にある発光素子。
【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発光部とを備える。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障壁層とを有する。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障壁層とを有する。前記第２障壁層は、アルミニウムとガリウムを含み、前記第１障壁層のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する窒化物半導体層を有する。前記第２障壁層のアルミニウム組成比のピークは、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】第１実施形態の発光素子の断面図である。
【図2】第１実施形態の第１超格子層の断面図である。
【図3】第１実施形態の第１活性層の断面図である。
【図4】第１実施形態の第２超格子層の断面図である。
【図5】第１実施形態の第２活性層の断面図である。
【図6】第１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7】第２実施形態の発光素子の断面図である。
【図8】第２実施形態の第２活性層の断面図である。
【図9】第２実施形態の第２超格子層の断面図である。
【図10】第３実施形態の発光素子の断面図である。
【図11A】第１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11B】第１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12A】第２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12B】第２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】
【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、窒化物半導体からなる。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る。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。
【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】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
第１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。
【0024】
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。
【0025】
以下、第１超格子層５０、第１活性層６０、第２超格子層７０、及び第２活性層８０の詳細について説明する。
【0026】
＜第１超格子層＞
図２に示すように、第１超格子層５０は、複数の第１窒化物半導体層５１と、複数の第２窒化物半導体層５２とを有する。第１超格子層５０は、例えば、第１窒化物半導体層５１と第２窒化物半導体層５２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は、例えば、２０層の第１窒化物半導体層５１と、２０層の第２窒化物半導体層５２とを有することができる。第１超格子層５０において最も下方（最下層）に第２窒化物半導体層５２が位置し、第１超格子層５０において最も上方（最上層）に第１窒化物半導体層５１が位置する。最下層の第２窒化物半導体層５２から最上層の第１窒化物半導体層５１に向かって、第２窒化物半導体層５２と第１窒化物半導体層５１とが交互に配置されている。
図２に示すように、第１超格子層５０は、複数の第１窒化物半導体層５１と、複数の第２窒化物半導体層５２とを有する。第１超格子層５０は、例えば、第１窒化物半導体層５１と第２窒化物半導体層５２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は、例えば、２０層の第１窒化物半導体層５１と、２０層の第２窒化物半導体層５２とを有することができる。第１超格子層５０において最も下方（最下層）に第２窒化物半導体層５２が位置し、第１超格子層５０において最も上方（最上層）に第１窒化物半導体層５１が位置する。最下層の第２窒化物半導体層５２から最上層の第１窒化物半導体層５１に向かって、第２窒化物半導体層５２と第１窒化物半導体層５１とが交互に配置されている。
【0027】
複数の第２窒化物半導体層５２は、複数の第１窒化物半導体層５１のうち隣り合う第１窒化物半導体層５１間に位置する第２窒化物半導体層５２を有する。また、第２窒化物半導体層５２は、最下層の第１窒化物半導体層５１と、ｎ側窒化物半導体層４１との間にも配置されている。
【0028】
第１窒化物半導体層５１及び第２窒化物半導体層５２は、ガリウム（Ｇａ）を含む。第１窒化物半導体層５１の組成と第２窒化物半導体層５２の組成とは異なる。第１窒化物半導体層５１は、さらにインジウム（Ｉｎ）を含むことができる。例えば、第１窒化物半導体層５１は、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。例えば、第２窒化物半導体層５２は、アンドープのＧａＮ層である。第１窒化物半導体層５１及び第２窒化物半導体層５２のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とすることができる。なお、第１窒化物半導体層５１及び第２窒化物半導体層５２のｎ型不純物濃度とは、第１窒化物半導体層５１及び第２窒化物半導体層５２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。
【0029】
第１窒化物半導体層５１の厚さは、第２窒化物半導体層５２の厚さよりも薄い。例えば、第１窒化物半導体層５１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５２の厚さを１．５ｎｍ以上３ｎｍとすることができる。
【0030】
＜第１活性層＞
図３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３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。
【0031】
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。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。例えば、第１障壁層６５、第４障壁層６３、及び第５障壁層６４は、アンドープのＧａＮ層である。第１井戸層６１は、アルミニウムを含んでいてもよい。
【0032】
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。
【0033】
＜第２超格子層＞
図４に示すように、第２超格子層７０は、複数の第３窒化物半導体層７１と、複数の第４窒化物半導体層７２とを有する。第２超格子層７０は、例えば、第３窒化物半導体層７１と第４窒化物半導体層７２の組を１５個以上２５個以下有することができる。第２超格子層７０は、例えば、２０層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７２とを有することができる。第２超格子層７０において最も下方（最下層）に第４窒化物半導体層７２が位置し、第２超格子層７０において最も上方（最上層）に第３窒化物半導体層７１が位置する。最下層の第４窒化物半導体層７２から最上層の第３窒化物半導体層７１に向かって、第４窒化物半導体層７２と第３窒化物半導体層７１とが交互に配置されている。
図４に示すように、第２超格子層７０は、複数の第３窒化物半導体層７１と、複数の第４窒化物半導体層７２とを有する。第２超格子層７０は、例えば、第３窒化物半導体層７１と第４窒化物半導体層７２の組を１５個以上２５個以下有することができる。第２超格子層７０は、例えば、２０層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７２とを有することができる。第２超格子層７０において最も下方（最下層）に第４窒化物半導体層７２が位置し、第２超格子層７０において最も上方（最上層）に第３窒化物半導体層７１が位置する。最下層の第４窒化物半導体層７２から最上層の第３窒化物半導体層７１に向かって、第４窒化物半導体層７２と第３窒化物半導体層７１とが交互に配置されている。
【0034】
複数の第４窒化物半導体層７２は、複数の第３窒化物半導体層７１のうち隣り合う第３窒化物半導体層７１間に位置する第４窒化物半導体層７２を有する。また、第４窒化物半導体層７２は、最下層の第３窒化物半導体層７１と、トンネル接合部３０との間にも配置されている。
【0035】
第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７２は、ガリウムとｎ型不純物を含む。第３窒化物半導体層７１の組成と第４窒化物半導体層７２の組成とは異なる。第３窒化物半導体層７１は、さらにインジウムを含むことができる。例えば、第３窒化物半導体層７１は、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１をＩｎＧａＮ層とする場合、Ｉｎ組成比は５％以上１０％以下とすることができる。例えば、第４窒化物半導体層７２は、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７２のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下とすることができる。なお、第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７２のｎ型不純物濃度とは、第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７２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。
【0036】
第３窒化物半導体層７１の厚さは、第４窒化物半導体層７２の厚さよりも薄い。例えば、第３窒化物半導体層７１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４窒化物半導体層７２の厚さを１．５ｎｍ以上３ｎｍとすることができる。
【0037】
＜第２活性層＞
図５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５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。
【0038】
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。
【0039】
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、例えば、アンドープの窒化物半導体層である。
【0040】
第２井戸層８１は、ガリウムとインジウムを含む。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。
【0041】
第２障壁層８２は、アルミニウムとガリウムを含む。第２障壁層８２は、第１活性層６０の第１障壁層６５のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する窒化物半導体層を有する。
【0042】
少なくとも１つの第２障壁層８２のアルミニウム組成比のピークは、第１発光部２１側にある。すべての第２障壁層８２におけるアルミニウム組成比のピークが、第１発光部２１側にあることが好ましい。
【0043】
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２障壁層８２が形成される。例えば、第１層８２ａとしてアンドープのＡｌＧａＮ層を形成した後に、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。第１層８２ａのアルミニウム組成比は、第２層８２ｂのアルミニウム組成比よりも高い。第２障壁層８２におけるアルミニウム組成比のピークは、第１層８２ａに位置する。第１層８２ａのアルミニウム組成比は、３％以上５％以下とすることができる。
【0044】
第３障壁層８４は、ガリウムを含む。第３障壁層８４のアルミニウム組成比は、第２障壁層８２におけるアルミニウム組成比よりも低い。例えば、第３障壁層８４は、ＧａＮ層である。
【0045】
第６障壁層８３は、ガリウムを含む。第６障壁層８３のアルミニウム組成比は、第２障壁層８２におけるアルミニウム組成比よりも低い。例えば、第６障壁層８３は、ＧａＮ層である。
【0046】
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。
【0047】
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２％以上２５％以下とすることができる。すなわち、第１層８２ａの厚さは、第２層８２ｂの厚さよりも薄い。例えば、第１層８２ａの厚さは、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚さの範囲に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より好ましい。第２層８２ｂの厚さは、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さの範囲にすることがより好ましい。
【0048】
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は、第２発光部の結晶性や平坦性が第１発光部に比べて悪化する傾向にある。特に、結晶欠陥である転位を起点に半導体層中に発生するＶピットの直径が、第１発光部よりも第２発光部において大きくなりやすい。これにより、第２発光部の活性層のうち発光に寄与する領域が減少し、第２発光部の発光効率が第１発光部に比べて低下しやすくなる。形成される半導体層の上面における平坦性を改善する方法として、半導体層の成長温度を上げることが考えられる。しかし、半導体層の成長温度を上げると、特にトンネル接合を形成するために配置した高いｐ型不純物濃度のｐ型層に含まれる、例えばマグネシウムが第２発光部側に拡散し、トンネル接合部に形成される空乏層が広がりトンネル確率が低下してしまう。
【0049】
第１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よりも高い組成比でアルミニウムを含み、第２障壁層８２のアルミニウム組成比のピークが第１発光部２１側にある。これにより、Ｖピットにアルミニウムが優先的に取り込まれ、Ｖピット内において結晶成長の起点となることでＶピットが埋まりやすくなり、成長温度を上げることなく平坦性が向上する。その結果、第２発光部２２の第２活性層８０のうち発光に寄与する領域を増加させることができ、発光素子１の発光効率を向上させることができる。
【0050】
なお、第２発光部２２側よりも平坦性が悪化しにくい第１発光部２１側において、第１活性層６０の第１障壁層６５のアルミニウム組成比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１障壁層６５の平坦性を向上させる効果はある程度得られるが、第２発光部２２側よりも得られる効果は低く、第１障壁層６５のバンドギャップが広くなることで発光効率が低下するためであると考えられる。
【0051】
なお、第２障壁層８２のアルミニウム組成比のピークが、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にアルミニウムが混入することにより第２井戸層８１の結晶性が悪化し、発光素子１の出力が低下してしまうおそれがある。また、第２障壁層８２のアルミニウム組成比のピークが第２ｐ側窒化物半導体層４３側にあると、内部電界の影響により、第１発光部２１側から第２井戸層８１への電子の注入効率が低下するおそれがある。
【0052】
次に、第１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。第１層８２ａ及び第２層８２ｂを含む第２障壁層８２における第１層８２ａの厚さを０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍと変更したサンプルを作製し、順電圧と光出力をそれぞれ測定した。
【0053】
第１実施形態の発光素子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１×１０１９／ｃｍ３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層の第１窒化物半導体層５１と、２０層の第２窒化物半導体層５２とを有する。第１窒化物半導体層５１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１窒化物半導体層５１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第１窒化物半導体層５１の厚さは、約１ｎｍである。第２窒化物半導体層５２は、アンドープのＧａＮ層である。第２窒化物半導体層５２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５×１０２０／ｃｍ３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、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５×１０２０／ｃｍ３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層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７２とを有する。第３窒化物半導体層７１は、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第３窒化物半導体層７１の厚さは、約１ｎｍである。第４窒化物半導体層７２は、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第４窒化物半導体層７２の厚さは、約２ｎｍである。第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７２のシリコン濃度は、約１×１０１９／ｃｍ３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、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第１層８２ａにおけるＡｌ組成比は、約４％である。第２層８２ｂは、アンドープのＧａＮ層である。第２障壁層８２の厚さは、約４ｎｍである。各サンプルごとに第２障壁層８２のうち第１層８２ａの厚さは、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍと変更する。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５×１０２０／ｃｍ３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１×１０１９／ｃｍ３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層の第１窒化物半導体層５１と、２０層の第２窒化物半導体層５２とを有する。第１窒化物半導体層５１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１窒化物半導体層５１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第１窒化物半導体層５１の厚さは、約１ｎｍである。第２窒化物半導体層５２は、アンドープのＧａＮ層である。第２窒化物半導体層５２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５×１０２０／ｃｍ３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、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５×１０２０／ｃｍ３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層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７２とを有する。第３窒化物半導体層７１は、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第３窒化物半導体層７１の厚さは、約１ｎｍである。第４窒化物半導体層７２は、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第４窒化物半導体層７２の厚さは、約２ｎｍである。第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７２のシリコン濃度は、約１×１０１９／ｃｍ３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、アンドープのＡｌＧａＮ層である。第１層８２ａにおけるＡｌ組成比は、約４％である。第２層８２ｂは、アンドープのＧａＮ層である。第２障壁層８２の厚さは、約４ｎｍである。各サンプルごとに第２障壁層８２のうち第１層８２ａの厚さは、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍと変更する。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５×１０２０／ｃｍ３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。
【0054】
図１１Ａ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。図１１Ａ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１１Ａ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。なお、第１層８２ａの厚さが０とは、第２障壁層８２がＧａＮ層のみからなる場合である。
【0055】
図１１Ａにおいて黒丸が、第１実施形態の発光素子１のサンプルについての測定結果を表す。図１１Ａにおいて白い四角は、第２障壁層８２のアルミニウム組成比のピークが、第１発光部２１側ではなく、第２ｐ側窒化物半導体層４３側にある第１比較例の発光素子のサンプルについての測定結果を表す。第１比較例の発光素子のサンプルは、第２障壁層８２の構造が異なる以外は、第１実施形態の発光素子１と同じ構造となるように作製した。また、第１比較例の発光素子のサンプルについても、第１実施形態の発光素子１のサンプルと同様に、第２障壁層８２における第１層８２ａの厚さを、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍと変更したサンプルを作製した。
【0056】
図１１Ａに示す結果より、第１実施形態の発光素子１のサンプルにおいて、第１層８２ａの厚さを０．５ｎｍとしたときに、第１層８２ａの厚さが０の場合、及び第１層８２ａの厚さが０．５ｎｍである第１比較例の発光素子のサンプルよりも順電圧が低くなった。また、第１実施形態の発光素子１のサンプルにおいて、第１層８２ａの厚さを１ｎｍとしたときに、第１層８２ａの厚さが０の場合よりも順電圧が低くなり、第１層８２ａの厚さが１ｎｍである第１比較例の発光素子のサンプルと同等の順電圧であった。
【0057】
図１１Ｂ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。図１１Ｂ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１１Ｂ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。
【0058】
【0059】
図１１Ｂに示す結果より、第１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０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍのときに、第１層８２ａの厚さが０の場合、及びすべての第１比較例の発光素子のサンプルよりも光出力が高くなった。したがって、光出力を高めるために、第１層８２ａの厚さは０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下が好ましい。さらに、上記図１１Ａの結果も合わせると、順電圧を低減しつつ、光出力を高めるために、第１層８２ａの厚さは０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下が好ましい。
【0060】
図６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６は、第１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６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。
【0061】
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としてアンドープのＡｌＧａＮ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。第３層８２ｃを配置することで、第２井戸層８１と第２障壁層８２との界面に生じる内部電界を低減し発光効率を向上することができる。第２層８２ｂのアルミニウム組成比及び第３層８２ｃのアルミニウム組成比は、第１層８２ａのアルミニウム組成比よりも低い。第３層８２ｃの厚さは、第２層８２ｂの厚さよりも薄い。第３層８２ｃの厚さは、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることができる。
【0062】
【0063】
第２実施形態の発光素子２においては、第２活性層と第２超格子層の構成が第１実施形態の発光素子１と異なる。
【0064】
＜第２活性層＞
図８に示すように、第２活性層１８０は、複数の第２井戸層８１と、少なくとも１つの第２障壁層８５とを有する。第２活性層１８０は、例えば、３以上の第２井戸層８１と、２以上の第２障壁層８５とを有する。第２活性層１８０は、例えば、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８５とを有することができる。それぞれの第２障壁層８５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。さらに、第２活性層１８０は、第２活性層１８０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１８０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８５のうちの最も下方に位置する第２障壁層８５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８５のうちの最も上方に位置する第２障壁層８５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８５とが交互に配置されている。
図８に示すように、第２活性層１８０は、複数の第２井戸層８１と、少なくとも１つの第２障壁層８５とを有する。第２活性層１８０は、例えば、３以上の第２井戸層８１と、２以上の第２障壁層８５とを有する。第２活性層１８０は、例えば、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８５とを有することができる。それぞれの第２障壁層８５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。さらに、第２活性層１８０は、第２活性層１８０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１８０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８５のうちの最も下方に位置する第２障壁層８５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８５のうちの最も上方に位置する第２障壁層８５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８５とが交互に配置されている。
【0065】
第２障壁層８５、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の材料は、第１実施形態の第１井戸層６１と同じものを用いることができる。第６障壁層８３、及び第３障壁層８４の材料は、第１実施形態の第１障壁層６５と同じものを用いることができる。
【0066】
第２実施形態の第２活性層１８０においては、第２障壁層８５の第１発光部２１側の一部にアルミニウムが含まれず、第２障壁層８５は例えばアンドープのＧａＮ層からなる。第２障壁層８５の厚さは、第２井戸層８１の厚さよりも厚い。例えば、第２障壁層８５の厚さを３ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。
【0067】
＜第２超格子層＞
図９に示すように、第２超格子層１７０は、複数の第３窒化物半導体層７１と、複数の第４窒化物半導体層７３とを有する。第２超格子層１７０は、例えば、第３窒化物半導体層７１と第４窒化物半導体層７３の組を１５個以上２５個以下有することができる。第２超格子層７０は、例えば、２０層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７３とを有することができる。第２超格子層１７０において最も下方（最下層）に第４窒化物半導体層７３が位置し、第２超格子層１７０において最も上方（最上層）に第３窒化物半導体層７１が位置する。最下層の第４窒化物半導体層７３から最上層の第３窒化物半導体層７１に向かって、第４窒化物半導体層７３と第３窒化物半導体層７１とが交互に配置されている。
図９に示すように、第２超格子層１７０は、複数の第３窒化物半導体層７１と、複数の第４窒化物半導体層７３とを有する。第２超格子層１７０は、例えば、第３窒化物半導体層７１と第４窒化物半導体層７３の組を１５個以上２５個以下有することができる。第２超格子層７０は、例えば、２０層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７３とを有することができる。第２超格子層１７０において最も下方（最下層）に第４窒化物半導体層７３が位置し、第２超格子層１７０において最も上方（最上層）に第３窒化物半導体層７１が位置する。最下層の第４窒化物半導体層７３から最上層の第３窒化物半導体層７１に向かって、第４窒化物半導体層７３と第３窒化物半導体層７１とが交互に配置されている。
【0068】
複数の第４窒化物半導体層７３は、複数の第３窒化物半導体層７１のうち隣り合う第３窒化物半導体層７１間に位置する第４窒化物半導体層７３を有する。また、第４窒化物半導体層７３は、最下層の第３窒化物半導体層７１と、トンネル接合部３０との間にも配置されている。
【0069】
第３窒化物半導体層７１の材料は、第１実施形態と同じものを用いることができる。例えば、第３窒化物半導体層７１は、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下とすることができる。
【0070】
第４窒化物半導体層７３の組成は、第３窒化物半導体層７１の組成と異なる。第４窒化物半導体層７３は、アルミニウムとガリウムを含み、第１発光部２１の第１超格子層５０の第２窒化物半導体層５２のアルミニウム組成比よりも高いアルミニウム組成比を有する。少なくとも１つの第４窒化物半導体層７３におけるアルミニウム組成比のピークは、第１発光部２１側にある。すべての第４窒化物半導体層７３におけるアルミニウム組成比のピークが、第１発光部２１側にあることが好ましい。
【0071】
第４窒化物半導体層７３は、例えば、シリコンがドープされたｎ型の窒化物半導体層である。第４窒化物半導体層７３のシリコン濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下とすることができる。
【0072】
少なくとも１つの第４窒化物半導体層７３は、トンネル接合部３０側から順に、第４層７３ａと、第５層７３ｂとを有する。すべての第４窒化物半導体層７３が、第４層７３ａと第５層７３ｂとを有することが好ましい。第４層７３ａを形成した後に、第４層７３ａ上に第５層７３ｂを形成することで、第４窒化物半導体層７３が形成される。例えば、第４層７３ａとしてＡｌＧａＮ層を形成した後に、その第４層７３ａ上に第５層７３ｂとしてＧａＮ層を形成することで、第４窒化物半導体層７３が形成される。第４層７３ａのアルミニウム組成比は、第５層７３ｂのアルミニウム組成比よりも高い。第４窒化物半導体層７３におけるアルミニウム組成比のピークは、第４層７３ａに位置する。第４層７３ａのアルミニウム組成比は、３％以上５％以下とすることができる。
【0073】
第４窒化物半導体層７３の厚さは、第３窒化物半導体層７１の厚さよりも薄い。例えば、第３窒化物半導体層７１の厚さは、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることができる。第４窒化物半導体層７３の厚さは、１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができる。
【0074】
第２実施形態によれば、第２発光部２２の第２超格子層１７０の第４窒化物半導体層７３は、第１発光部２１の第１超格子層５０の第２窒化物半導体層５２よりも高い組成比でアルミニウムを含む。アルミニウムを含む第４窒化物半導体層７３を形成することで、Ｖピットにアルミニウムが優先的に取り込まれ、Ｖピット内において結晶成長の起点となることでＶピットが埋まりやすくなり、成長温度を上げることなく平坦性が向上する。これにより、第２超格子層１７０の上に形成される第２活性層１８０の平坦性も向上し、第２活性層１８０のうち発光に寄与する領域を増加させることができ、発光素子２の発光効率を向上させることができる。
【0075】
なお、第２発光部２２側よりも平坦性が悪化しにくい第１発光部２１側において第１超格子層５０の第２窒化物半導体層５２のアルミニウム組成比を比較的高くしても発光素子２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２窒化物半導体層５２の平坦性を向上させる効果はある程度得られるが、第２発光部２２側よりも得られる効果は低く、第２窒化物半導体層５２のバンドギャップが広くなることで発光効率が低下するためであると考えられる。
【0076】
次に、第２実施形態の発光素子２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。第４層７３ａ及び第５層７３ｂを含む第４窒化物半導体層７３における第４層７３ａの厚さを０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、及び０．５ｎｍと変更したサンプルを作製し、順電圧と光出力を測定した。
【0077】
第２実施形態の発光素子２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１×１０１９／ｃｍ３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層の第１窒化物半導体層５１と、２０層の第２窒化物半導体層５２とを有する。第１窒化物半導体層５１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１窒化物半導体層５１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第１窒化物半導体層５１の厚さは、約１ｎｍである。第２窒化物半導体層５２は、アンドープのＧａＮ層である。第２窒化物半導体層５２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５×１０２０／ｃｍ３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、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５×１０２０／ｃｍ３である。ｎ型ＧａＮ層の厚さは、約１５０ｎｍである。
第２超格子層１７０は、２０層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７３とを有する。第３窒化物半導体層７１は、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第３窒化物半導体層７１の厚さは、約１ｎｍである。第４窒化物半導体層７３は、第４層７３ａと第５層７３ｂとを有する。第４層７３ａは、シリコンがドープされたＡｌＧａＮ層である。第４層７３ａにおけるＡｌ組成比は、約４％である。第５層７３ｂは、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第４窒化物半導体層７３の厚さは、約２ｎｍである。第４層７３ａの厚さは、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍと変更する。第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７３のシリコン濃度は、約１×１０１９／ｃｍ３である。
第２活性層１８０は、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８５とを有する。さらに、第２活性層１８０は、第２活性層１８０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１８０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８５は、アンドープのＧａＮ層である。第２障壁層８５の厚さは、約４ｎｍ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５×１０２０／ｃｍ３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１×１０１９／ｃｍ３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層の第１窒化物半導体層５１と、２０層の第２窒化物半導体層５２とを有する。第１窒化物半導体層５１は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１窒化物半導体層５１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第１窒化物半導体層５１の厚さは、約１ｎｍである。第２窒化物半導体層５２は、アンドープのＧａＮ層である。第２窒化物半導体層５２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５×１０２０／ｃｍ３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、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５×１０２０／ｃｍ３である。ｎ型ＧａＮ層の厚さは、約１５０ｎｍである。
第２超格子層１７０は、２０層の第３窒化物半導体層７１と、２０層の第４窒化物半導体層７３とを有する。第３窒化物半導体層７１は、シリコンがドープされたＩｎＧａＮ層である。第３窒化物半導体層７１におけるＩｎ組成比は、約７％である。第３窒化物半導体層７１の厚さは、約１ｎｍである。第４窒化物半導体層７３は、第４層７３ａと第５層７３ｂとを有する。第４層７３ａは、シリコンがドープされたＡｌＧａＮ層である。第４層７３ａにおけるＡｌ組成比は、約４％である。第５層７３ｂは、シリコンがドープされたＧａＮ層である。第４窒化物半導体層７３の厚さは、約２ｎｍである。第４層７３ａの厚さは、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、０．５ｎｍ、及び１ｎｍと変更する。第３窒化物半導体層７１及び第４窒化物半導体層７３のシリコン濃度は、約１×１０１９／ｃｍ３である。
第２活性層１８０は、７層の第２井戸層８１と、６層の第２障壁層８５とを有する。さらに、第２活性層１８０は、第２活性層１８０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１８０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８５は、アンドープのＧａＮ層である。第２障壁層８５の厚さは、約４ｎｍ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５×１０２０／ｃｍ３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。
【0078】
図１２Ａは、順電流を１２０ｍＡとしたときの発光素子２のサンプルの順電圧の測定結果を示すグラフである。図１２Ａにおいて、横軸は、第４窒化物半導体層７３における第４層７３ａの厚さ（ｎｍ）を表す。図１２Ａにおいて、縦軸は、第４層７３ａ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。なお、第４層７３ａの厚さが０とは、第４窒化物半導体層７３がＧａＮ層のみからなることを表す。
【0079】
図１２Ａにおいて黒丸が、第２実施形態の発光素子２のサンプルについての測定結果を表す。図１１Ａにおいて白い四角は、第４窒化物半導体層７３のアルミニウム組成比のピークが、トンネル接合部３０側ではなく、第２活性層１８０側にある第２比較例の発光素子のサンプルについての測定結果を表す。第２比較例の発光素子のサンプルは、第４窒化物半導体層７３の構造が異なる以外は、第２実施形態の発光素子２と同じ構造となるように作製した。また、第２比較例の発光素子のサンプルについても、第２実施形態の発光素子２のサンプルと同様に、第４窒化物半導体層７３における第４層７３ａの厚さを、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、及び０．５ｎｍと変更したサンプルを作製した。
【0080】
図１２Ａに示す結果より、第２実施形態の発光素子２のサンプルにおいて、第４層７３ａの厚さが０．３ｎｍ及び０．５ｎｍのときに、第４層７３ａの厚さが０の場合、及び第４層７３ａの厚さが０．３ｎｍ及び０．５ｎｍである第２比較例の発光素子のサンプルよりも順電圧が低くなった。また、第４層７３ａの厚さを０．１ｎｍである第２実施形態の発光素子２のサンプルは、第４層７３ａの厚さが０の場合よりも順電圧は低くなり、第４層７３ａの厚さを０．１ｎｍである第２比較例の発光素子のサンプルと同等の順電圧であった。
【0081】
図１２Ｂは、順電流を１２０ｍＡとしたときの発光素子２のサンプルの光出力の測定結果を示すグラフである。図１２Ｂにおいて、横軸は、第４窒化物半導体層７３における第４層７３ａの厚さ（ｎｍ）を表す。図１２Ｂにおいて、縦軸は、第４層７３ａ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。
【0082】
【0083】
図１２Ｂに示す結果より、第２実施形態の発光素子２のサンプルにおいて、第４層７３ａの厚さを、０．１ｎｍ、０．３ｎｍ、及び０．５ｎｍとしたときに、第４層７３ａの厚さが０の場合、及びすべての第２比較例の発光素子のサンプルよりも光出力が高くなった。したがって、光出力を高めるために、第４層７３ａの厚さは０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下が好ましい。さらに、上記図１２Ａの結果も合わせると、順電圧を低減しつつ、光出力を高めるために、第４層７３ａの厚さは０．３ｎｍ以上０．５ｎｍ以下が好ましい。
【0084】
［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態の発光素子３の断面図である。
図１０は、第３実施形態の発光素子３の断面図である。
【0085】
第３実施形態の発光素子３は、第２活性層として第１実施形態の第２活性層８０を備え、第２超格子層として第２実施形態の第２超格子層１７０を備える。そのため、第３実施形態の発光素子３は、第１実施形態の第２活性層８０による効果と、第２実施形態の第２超格子層１７０による効果とを得ることができる。
【0086】
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】
【0087】
１～３…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、５１…第１窒化物半導体層、５２…第２窒化物半導体層、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、７１…第３窒化物半導体層、７２…第４窒化物半導体層、７３…第４窒化物半導体層、７３ａ…第４層、７３ｂ…第５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、８５…第２障壁層、１７０…第２超格子層、１８０…第２活性層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】