特許 7432844 窒化物半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-08

(45)【発行日】2024-02-19

(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/04 20100101AFI20240209BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20240209BHJP

   H01L 33/08 20100101ALI20240209BHJP

【ＦＩ】

H01L33/04

H01L33/32

H01L33/08

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021204796

(22)【出願日】2021-12-17

(65)【公開番号】P2023090057

(43)【公開日】2023-06-29

【審査請求日】2023-01-12

(73)【特許権者】

【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】船越 良太

(72)【発明者】

【氏名】阿部 真

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１０６２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１５２６９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－０１９０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１７４８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０７４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１５４１２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０４７３８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０６２２５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－２２５５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１８９２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に配置される第１ｎ側半導体層と、
前記第１ｎ側半導体層上に配置される第１活性層と、
前記第１活性層上に配置される第１ｐ側半導体層と、
前記第１ｐ側半導体層上に配置され、前記第１ｐ側半導体層にトンネル接合する第２ｎ側半導体層と、
前記第２ｎ側半導体層上に配置される第２活性層と、
前記第２活性層上に配置される第２ｐ側半導体層と、
を備え、
前記第１活性層は、前記第１ｎ側半導体層から前記第１ｐ側半導体層に向かう積層方向において交互に並ぶ第１井戸層および第１障壁層を有し、
前記第２活性層は、前記積層方向において交互に並ぶ第２井戸層および第２障壁層を有し、
前記第２井戸層の厚さは、前記第１井戸層の厚さよりも薄く、
前記第２障壁層の厚さは、前記第１障壁層の厚さよりも厚く、
前記第１活性層及び前記第２活性層は青色光を発する、窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

前記第１井戸層の厚さと前記第２井戸層の厚さとの差は、前記第１障壁層の厚さと前記第２障壁層の厚さとの差よりも小さい、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

１つの前記第２井戸層と１つの前記第２障壁層の総膜厚は、１つの前記第１井戸層と１つの前記第１障壁層の総膜厚よりも大きい、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

前記第１井戸層の厚さと前記第２井戸層の厚さとの差は、０．１ｎｍ以上、かつ、０．５ｎｍ以下である、請求項１～３のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項5】

前記第１障壁層の厚さと前記第２障壁層の厚さとの差は、０．１ｎｍ以上、かつ、０．７ｎｍ以下である、請求項１～４のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項6】

前記第２井戸層の数は、前記第１井戸層の数よりも少ない、請求項１～５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項7】

前記第２障壁層の厚さは、前記第２井戸層の厚さよりも厚い、請求項１～６のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項8】

前記第１障壁層および前記第２障壁層は、それぞれ窒化ガリウムを含み、
前記第１井戸層および前記第２井戸層は、それぞれ窒化インジウムガリウムを含む、請求項１～７のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、例えば、第１のｎ型層、第１の活性層、および第１のｐ型層を含む第１発光部と、第１発光部上に配置されたトンネル接合層と、トンネル接合層上に配置され、第２のｎ型層、第２の活性層、および第２のｐ型層を含む第２発光部と、を備える発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－１２８５０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の一実施形態は、発光効率が高い窒化物半導体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】

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、第１ｎ側半導体層と、前記第１ｎ側半導体層上に配置される第１活性層と、前記第１活性層上に配置される第１ｐ側半導体層と、前記第１ｐ側半導体層上に配置され、前記第１ｐ側半導体層にトンネル接合する第２ｎ側半導体層と、前記第２ｎ側半導体層上に配置される第２活性層と、前記第２活性層上に配置される第２ｐ側半導体層と、を備える。前記第１活性層は、前記第１ｎ側半導体層から前記第１ｐ側半導体層に向かう積層方向において交互に並ぶ第１井戸層および第１障壁層を有する。前記第２活性層は、前記積層方向において交互に並ぶ第２井戸層および第２障壁層を有する。前記第２井戸層の厚さは、前記第１井戸層の厚さよりも薄い。前記第２障壁層の厚さは、前記第１障壁層の厚さよりも厚い。

【発明の効果】

【0006】

本発明の一実施形態によれば、発光効率が高い窒化物半導体発光素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子を示す断面図である。

【図2A】図１の第１活性層を拡大して示す断面図である。

【図2B】図１の第２活性層を拡大して示す断面図である。

【図3】図１の第２ｎ側半導体層を拡大して示す断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフローチャートである。

【図5A】図４の第１活性層を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。

【図5B】図４の第２ｎ側半導体層を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。

【図5C】図４の第２活性層を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。

【図6】第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造過程を説明するための断面図である。

【図7】第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造過程を説明するための断面図である。

【図8A】第２の実施形態における第１活性層を拡大して示す断面図である。

【図8B】第２の実施形態における第２活性層を拡大して示す断面図である。

【図9A】参考例１～３および実施例１～４に係る窒化物半導体発光素子の各順方向電圧Ｖｆを正規化した値Ｖｆ／Ｖｆｒｅｆを示すグラフである。

【図9B】参考例１～３および実施例１～４に係る窒化物半導体発光素子の各出力Ｐｏを正規化した値Ｐｏ／Ｐｏｒｅｆを示すグラフである。

【図10】参考例１、３および実施例３、４における発光素子の順方向電流Ｉｆと外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を正規化した値Ｅ．Ｑ．Ｅ．／Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆと、の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。さらに、本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0009】

また、以下では、説明をわかりやすくするために、ＸＹＺ直交座標系を用いて、各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交している。またＸ軸が延びる方向を「Ｘ方向」とし、Ｙ軸が延びる方向を「Ｙ方向」とし、Ｚ軸が延びる方向を「Ｚ方向」とする。また、説明をわかりやすくするために、上方をＺ方向、下方をその反対方向とするが、これらの方向は、相対的なものであり重力方向とは無関係である。

【0010】

＜第１の実施形態＞
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０を示す断面図である。
図２Ａは、図１の第１活性層１１３を拡大して示す断面図である。
図２Ｂは、図１の第２活性層１２２を拡大して示す断面図である。
図３は、図１の第２ｎ側半導体層１２１を拡大して示す断面図である。
窒化物半導体発光素子１０は、図１に示すように、基板１１と、半導体構造体１２と、ｎ側電極１３と、ｐ側電極１４と、を備える。以下、窒化物半導体発光素子１０を単に「発光素子１０」ともいう。

【0011】

基板１１の形状は平板状である。基板１１の上面および下面は、例えば、Ｘ－Ｙ平面に概ね平行である。基板１１は、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる。ただし、基板１１には、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）等他の材料を用いてもよい。基板１１の上には、半導体構造体１２が配置されている。

【0012】

半導体構造体１２は、例えば、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。ここで、「窒化物半導体」とは、窒素を含む半導体であって、典型的には、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘおよび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むものである。このように、本明細書において、「窒化物半導体発光素子」とは、発光素子を構成する各半導体層が窒化物半導体からなる発光素子を意味する。

【0013】

半導体構造体１２は、下方から上方に向かって順に、第１発光部１１０と、第２発光部１２０と、を有する。第１発光部１１０は、下方から上方に向かって順に、第１ｎ側半導体層１１２と、第１活性層１１３と、第１ｐ側半導体層１１４と、を含む。第１発光部１１０は、第１ｎ側半導体層１１２の下に配置された下地層１１１をさらに含む。第２発光部１２０は、下方から上方に向かって順に、第２ｎ側半導体層１２１と、第２活性層１２２と、第２ｐ側半導体層１２３と、を含む。以下、半導体構造体１２の各部について詳述する。

【0014】

第１発光部１１０の下地層１１１は、基板１１の上に配置されている。下地層１１１は、例えば、アンドープの半導体層を含む。本明細書において、「アンドープ」とは、ｎ型不純物およびｐ型不純物を意図的にドープしていないことを意味する。すなわち、アンドープの半導体層は、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスを供給させずに形成した半導体層である。「ｎ型不純物」とは、ドナーとなる不純物を意味する。「ｐ型不純物」とは、アクセプターとなる不純物を意味する。アンドープの半導体層が、ｎ型不純物および／または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、その隣接した層からの拡散等によって、アンドープの半導体層にｎ型不純物および／またはｐ型不純物が含まれる場合がある。

【0015】

下地層１１１におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。下地層１１１の上には、第１ｎ側半導体層１１２が配置されている。ただし、第１発光部に下地層が配置されておらず、第１ｎ側半導体層が基板上に直接配置されていてもよい。

【0016】

第１ｎ側半導体層１１２は、１以上のｎ型半導体層を含む。第１ｎ側半導体層１１２におけるｎ型半導体層は、例えば、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＮを含む。第１ｎ側半導体層１１２におけるｎ型半導体層は、インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）等をさらに含んでもよい。第１ｎ側半導体層１１２におけるｎ型半導体層は、ｎ型不純物としてゲルマニウム（Ｇｅ）含んでもよい。

【0017】

また、第１ｎ側半導体層１１２は、電子を供給するという機能を有していればよく、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第１ｎ側半導体層１１２におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。

【0018】

第１ｎ側半導体層１１２は、第１面１１２ｓ１、第２面１１２ｓ２、および第３面１１２ｓ３を含む。第１面１１２ｓ１は、Ｘ－Ｙ平面に概ね平行な面である。第２面１１２ｓ２は、第１面１１２ｓ１よりも上方に位置し、Ｘ－Ｙ平面に概ね平行な面である。上面視において、第２面１１２ｓ２は第１面１１２ｓ１とＸ方向に隣り合っている。第３面１１２ｓ３は、第１面１１２ｓ１と第２面１１２ｓ２の間に位置し、Ｙ－Ｚ平面に概ね平行な面である。第２面１１２ｓ２上には、第１活性層１１３が配置されている。

【0019】

第１活性層１１３は、第１ｎ側半導体層１１２から第１ｐ側半導体層１１４に向かう積層方向、すなわちＺ方向において、図２Ａに示すように、交互に並ぶ第１井戸層１１３ａおよび第１障壁層１１３ｂを有する。本実施形態では、第１活性層１１３は、７個の第１井戸層１１３ａと、７個の第１障壁層１１３ｂとを含む。ただし、第１井戸層の数および第１障壁層の数は上記に限定されない。第１活性層１１３は、第１ｎ側半導体層１１２と、複数の第１井戸層１１３ａのうち最も下方に配置された第１井戸層１１３ａとの間に、第３障壁層１１３ｃをさらに有する。このように、本実施形態の第１活性層１１３は、複数の第１井戸層１１３ａを含む多重量子井戸構造を有する。

【0020】

各第１井戸層１１３ａは、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含むアンドープの半導体層である。ただし、第１井戸層の少なくとも一部にｎ型不純物および／またはｐ型不純物が含有されていてもよい。第１井戸層１１３ａは、Ａｌをさらに含んでもよい。また、第１井戸層１１３ａは、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）としてよい。

【0021】

各第１障壁層１１３ｂは、例えば、ＧａＮを含むアンドープの半導体層である。ただし、第１障壁層の少なくとも一部にｎ型不純物および／またはｐ型不純物が含有されていてもよい。第１障壁層１１３ｂは、Ａｌをさらに含んでもよい。
第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａおよび第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂについては後述する。

【0022】

第３障壁層１１３ｃは、例えば、アンドープの半導体層と、ｎ型不純物を含む半導体層との、積層構造を有する。第３障壁層１１３ｃにおけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第３障壁層１１３ｃにおけるｎ型不純物を含む半導体層は、例えばｎ型不純物であるＳｉがドープされたＩｎＧａＮを含む。第３障壁層１１３ｃは、第１活性層１１３に電子を供給する機能を有する。

【0023】

第１活性層１１３の上、すなわち最も上方に位置する第１障壁層１１３ｂの上には、図１に示すように、第１ｐ側半導体層１１４が配置されている。

【0024】

図１に示すように、第１ｐ側半導体層１１４は、例えば、第１活性層１１３にホールを供給する機能を有する１以上のｐ型の半導体層を含む。第１ｐ側半導体層１１４におけるｐ型の半導体層は、例えば、ｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮを含む。第１ｐ側半導体層１１４におけるｐ型の半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。

【0025】

また、第１ｐ側半導体層１１４は、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第１ｐ側半導体層１１４におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第１ｐ側半導体層１１４におけるアンドープの半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。また、第１ｐ側半導体層は、第２ｎ側半導体層１２１にトンネル接合するｐ型の上部半導体層をさらに含んでもよい。上部半導体層は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇがドープされたＧａＮを含む。上部半導体層のｐ型不純物濃度は、例えば、第１ｐ側半導体層１１４において上部半導体層の下方に位置するｐ型の半導体層のｐ型不純物濃度よりも高い。第１ｐ側半導体層１１４上には、第２ｎ側半導体層１２１が配置されている。

【0026】

第２ｎ側半導体層１２１は、図３に示すように、本実施形態では第１ｐ側半導体層１１４にトンネル接合する第１ｎ型層１２１ａと、第１ｎ型層１２１ａ上に配置される第２ｎ型層１２１ｂと、を含む。

【0027】

第１ｎ型層１２１ａは、ｎ型不純物を含み、第１ｎ側半導体層１１２および第２ｎ型層１２１ｂのｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する。第１ｎ型層１２１ａは、例えば、ｎ型不純物としてＳｉがドープされたＧａＮを含む。第１ｎ型層１２１ａは、ｎ型不純物としてＳｉがドープされたＩｎＧａＮを含んでもよい。第１ｎ型層１２１ａのｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^－３以上１×１０^２１ｃｍ^－３以下である。

【0028】

第２ｎ型層１２１ｂは、第２活性層１２２に電子を供給する機能を有する。第２ｎ型層１２１ｂは、例えば、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮを含む。第２ｎ型層１２１ｂは、ＩｎまたはＡｌ等をさらに含んでもよい。また、第２ｎ型層１２１ｂは、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第２ｎ型層１２１ｂにおけるアンドープの半導体層は、例えば、ＧａＮを含む。第２ｎ側半導体層１２１上には、第２活性層１２２が配置されている。

【0029】

第２活性層１２２は、積層方向すなわちＺ方向において、図２Ｂに示すように、交互に並ぶ第２井戸層１２２ａおよび第２障壁層１２２ｂを有する。本実施形態では、第２活性層１２２は、第１活性層１１３と同様に、７個の第２井戸層１２２ａと、７個の第２障壁層１２２ｂとを含む。ただし、第２井戸層の数および第２障壁層の数は上記に限定されない。第２活性層１２２は、複数の第２井戸層１２２ａのうち第２ｎ側半導体層１２１と最も下方に配置された第２井戸層１２２ａとの間に、第４障壁層１２２ｃをさらに有する。このように、本実施形態の第２活性層１２２は、複数の第２井戸層１２２ａを含む多重量子井戸構造を有する。

【0030】

各第２井戸層１２２ａは、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含むアンドープの半導体層である。ただし、第２井戸層の少なくとも一部にｎ型不純物および／またはｐ型不純物が含有されていてもよい。第２井戸層１２２ａは、Ａｌをさらに含んでもよい。また、第２井戸層１２２ａは、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）としてよい。

【0031】

各第２障壁層１２２ｂは、例えば、ＧａＮを含むアンドープの半導体層である。ただし、第２障壁層の少なくとも一部にｎ型不純物および／またはｐ型不純物が含有されていてもよい。第２障壁層１２２ｂは、Ａｌをさらに含んでもよい。

【0032】

第４障壁層１２２ｃは、例えば、アンドープの半導体層と、ｎ型不純物を含む半導体層と、の積層構造を有する。第４障壁層１２２ｃにおけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第４障壁層１２２ｃにおけるｎ型不純物を含む半導体層は、例えばｎ型不純物であるＳｉがドープされたＩｎＧａＮを含む。第４障壁層１２２ｃは、第２活性層１２２に電子を供給する機能を有する。

【0033】

ここで、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａ、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂ、第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａ、および第２障壁層の厚さｔ２ｂについて説明する。

【0034】

本実施形態では、複数の第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａは概ね同じであり、複数の第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂは概ね同じであり、複数の第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａは概ね同じであり、複数の第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは概ね同じである。

【0035】

第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａは、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａよりも薄い。第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａと第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａとの差は、特に限定されない。第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａと第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａとの差は、例えば、０．１ｎｍ以上、かつ、０．５ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａと第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａとの差は、上記に限定されない。

【0036】

第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂよりも厚い。第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂと第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂとの差は、０．１ｎｍ以上、かつ、０．７ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂと第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂとの差は、上記に限定されない。

【0037】

第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂは、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａよりも厚い。また、第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは、第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａよりも厚い。

【0038】

以上より、本実施形態では、厚さｔ２ｂ＞厚さｔ１ｂ＞厚さｔ１ａ＞厚さｔ２ａである。ただし、これらの厚さｔ１ａ、ｔ１ｂ、ｔ２ａ、ｔ２ｂの大小関係は、厚さｔ１ａ＞厚さｔ２ａかつ厚さｔ２ｂ＞厚さｔ１ｂである限り、上記に限定されない。例えば、第１井戸層の厚さは、第１障壁層の厚さ以上であってもよい。

【0039】

また、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａと第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａとの差は、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂと第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂとの差よりも小さい。すなわち、（厚さｔ１ａ－厚さｔ２ａ）＜（厚さｔ２ｂ－厚さｔ１ｂ）である。

【0040】

また、１つの第２井戸層１２２ａと１つの第２障壁層１２２ｂの総膜厚ｔ２は、１つの第１井戸層１１３ａと１つの第１障壁層１１３ｂの総膜厚ｔ１よりも大きい。ここで、総膜厚ｔ２＝厚さｔ２ａ＋厚さｔ２ｂであり、総膜厚ｔ１＝厚さｔ１ａ＋厚さｔ１ｂである。

【0041】

第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａは、例えば、２ｎｍ以上、かつ、５ｎｍ以下である。第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂは、例えば、２ｎｍ以上、かつ、６ｎｍ以下である。ただし、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａおよび第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂは、上記に限定されない。

【0042】

第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａは、例えば、２ｎｍ以上、かつ、５ｎｍ以下である。第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは、例えば、２ｎｍ以上、かつ、６ｎｍ以下である。第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａ及び第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは、上記に限定されない。

【0043】

第２活性層１２２の上には、第２ｐ側半導体層１２３が配置されている。第２ｐ側半導体層１２３は、例えば、１以上のｐ型の半導体層を含む。第２ｐ側半導体層１２３におけるｐ型の半導体層は、例えば、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたＧａＮを含む。第２ｐ側半導体層１２３におけるｐ型の半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。

【0044】

また、第２ｐ側半導体層１２３は、第２活性層１２２にホールを供給するという機能を有していればよく、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第２ｐ側半導体層１２３におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第２ｐ側半導体層１２３におけるアンドープの半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。

【0045】

ｎ側電極１３は、図１に示すように、第１ｎ側半導体層１１２の第１面１１２ｓ１上に配置されている。ｎ側電極１３は、第１ｎ側半導体層１１２に電気的に接続されている。ｐ側電極１４は、第２ｐ側半導体層１２３上に配置されている。ｐ側電極１４は、第２ｐ側半導体層１２３に電気的に接続されている。ｎ側電極１３とｐ側電極１４との間に順方向電圧Ｖｆを印加することで第１活性層１１３および第２活性層１２２が発光する。

【0046】

第１活性層１１３および第２活性層１２２が発する光は、例えば、紫外光または可視光である。第１活性層１１３の発光ピーク波長と第２活性層１２２の発光ピーク波長と同じとすることができる。例えば、第１活性層１１３と第２活性層１２２が青色光を発してもよい。第１活性層１１３の発光ピーク波長と第２活性層１２２の発光ピーク波長は異なっていてもよい。例えば、第１活性層１１３が青色光を発し、第２活性層１２２が緑色光を発してもよい。青色光の発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。緑色光の発光ピーク波長は、例えば、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。

【0047】

ｎ側電極１３とｐ側電極１４との間に順方向電圧Ｖｆが印加された場合、すなわち、ｐ側電極１４に正電位が、ｎ側電極１３にｐ側電極１４よりも低い電位が印加された場合、第２ｎ側半導体層１２１と第１ｐ側半導体層１１４との間には逆方向にバイアスがかる。そのため、第２ｎ側半導体層１２１と第１ｐ側半導体層１１４との間に電流を流すために、第２ｎ側半導体層が第１ｐ側半導体層１１４にトンネル接合されていることによるトンネル効果を利用する。具体的には、第１ｐ側半導体層１１４の価電子帯に存在する電子を、第２ｎ側半導体層１２１の伝導帯にトンネリングさせることで第２ｎ側半導体層１２１と第１ｐ側半導体層１１４との間に電流を流す。換言すれば、発光素子１０に順方向電圧Ｖｆを印加した場合に、第２ｎ側半導体層１２１と第１ｐ側半導体層１１４との間に電流が流れれば、第２ｎ側半導体層１２１が第１ｐ側半導体層１１４にトンネル接合されているということである。

【0048】

第１ｐ側半導体層１１４および第２ｎ側半導体層１２１においてｐｎ接合を形成するｐ型半導体層とｎ型半導体層（本実施形態では、第１ｎ型層１２１ａ）に含まれる各導電型の不純物濃度を高くすることで、ｐｎ接合により形成される空乏層の幅を狭くすることができる。そして、空乏層の幅が狭いほど、電圧印加時に、第１ｐ側半導体層１１４の価電子帯に存在する電子が、第２ｎ側半導体層１２１の伝導帯にトンネリングし易くなる。

【0049】

次に、発光素子１０の製造方法を説明する。
図４は、本実施形態に係る発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。
図５Ａは、図４の第１活性層１１３を形成する工程Ｓ１３の詳細を示すフローチャートである。
図５Ｂは、図４の第２ｎ側半導体層１２１を形成する工程Ｓ２１の詳細を示すフローチャートである。
図５Ｃは、図４の第２活性層１２２を形成する工程Ｓ２２の詳細を示すフローチャートである。
図６は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０の製造過程を説明するための断面図である。
図７は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０の製造過程を説明するための断面図である。

【0050】

発光素子１０の製造方法は、図４に示すように、第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１と、第２発光部１２０を形成する工程Ｓ２と、ｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成する工程Ｓ３と、を備える。

【0051】

半導体構造体１２に含まれる第１発光部１１０および第２発光部１２０は、例えば、圧力および温度の調整が可能な炉内において、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により形成される。具体的には、半導体構造体１２は、炉内にキャリアガスおよび原料ガスを供給することで基板１１上に形成される。

【0052】

キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ_２）ガスまたは窒素（Ｎ_２）ガス等を用いることができる。

【0053】

原料ガスは、形成する半導体層に応じて適宜選択される。Ｇａを含む半導体層を形成する場合は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスまたはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガス等のＧａを含む原料ガスが用いられる。Ｎを含む半導体層を形成する場合は、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）ガス等のＮを含む原料ガスが用いられる。Ａｌを含む半導体層を形成する場合は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス等のＡｌを含む原料ガスが用いられる。Ｉｎを含む半導体層を形成する場合は、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等のＩｎを含む原料ガスが用いられる。Ｓｉを含む半導体層を形成する場合は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス等のＳｉを含むガスが用いられる。Ｍｇを含む半導体層を形成する場合は、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガス等のＭｇを含む原料ガスが用いられる。なお、以下において、炉内に、一の元素を含む原料ガスおよび他の元素を含む原料ガスを供給することを、単に「一の元素および他の元素を含む原料ガスを供給する」ともいう。以下、各工程について詳述する。

【0054】

先ず、第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１を行う。
第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１は、下地層１１１を形成する工程Ｓ１１と、第１ｎ側半導体層１１２を形成する工程Ｓ１２と、第１活性層１１３を形成する工程Ｓ１３と、第１ｐ側半導体層１１４を形成する工程Ｓ１４と、を含む。

【0055】

下地層１１１を形成する工程Ｓ１１においては、炉内に、下地層１１１に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、下地層１１１を基板１１上に形成する。

【0056】

第１ｎ側半導体層１１２を形成する工程Ｓ１２においては、炉内に、第１ｎ側半導体層１１２に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第１ｎ側半導体層１１２を下地層１１１上に形成する。

【0057】

第１活性層１１３を形成する工程Ｓ１３は、図５Ａに示すように、第３障壁層１１３ｃを形成する工程Ｓ１３ａと、第１井戸層１１３ａおよび第１障壁層１１３ｂを形成する工程Ｓ１３ｂと、を含む。

【0058】

第３障壁層１１３ｃを形成する工程Ｓ１３ａにおいては、例えば、アンドープの半導体層およびｎ型の半導体層を第１ｎ側半導体層１１２上に形成する。アンドープの半導体層は、例えば炉内に、キャリアガスと、ＧａおよびＮを含む原料ガスを供給することにより形成する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。ｎ型の半導体層は、例えば炉内に、キャリアガスと、Ｉｎ、Ｇａ、およびＮを含む原料ガスと、ｎ型不純物であるＳｉを含む原料ガスと、を供給することで形成する。

【0059】

第１井戸層１１３ａおよび第１障壁層１１３ｂを形成する工程Ｓ１３ｂでは、先ず、炉内に、キャリアガスと、Ｉｎ、Ｇａ、およびＮを含む原料ガスを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、第３障壁層１１３ｃ上に、アンドープのＩｎＧａＮ層である第１井戸層１１３ａを形成する。次に、炉内に、キャリアガスと、ＧａおよびＮを含む原料ガスを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、第１井戸層１１３ａ上に、アンドープのＧａＮ層である第１障壁層１１３ｂを形成する。本実施形態では、第１井戸層１１３ａの形成と第１障壁層１１３ｂの形成を、交互に複数回行う。これにより、積層方向、すなわちＺ方向において交互に並ぶ第１井戸層１１３ａおよび第１障壁層１１３ｂを含む積層体を、第１ｎ側半導体層１１２上に形成する。

【0060】

本実施形態では、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂが第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａよりも厚くなるように、第１井戸層１１３ａおよび第１障壁層１１３ｂが形成される。

【0061】

第１ｐ側半導体層１１４を形成する工程Ｓ１４においては、炉内に、第１ｐ側半導体層１１４に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第１ｐ側半導体層１１４を第１活性層１１３の上、すなわち最も上方に位置する第１障壁層１１３ｂ上に形成する。

【0062】

以上により、図６に示すように、下地層１１１、第１ｎ側半導体層１１２、第１活性層１１３、および第１ｐ側半導体層１１４を含む第１発光部１１０を、基板１１上に形成する。

【0063】

次に、第２発光部１２０を形成する工程Ｓ２を行う。
第２発光部１２０を形成する工程Ｓ２は、図４に示すように、第２ｎ側半導体層１２１を形成する工程Ｓ２１と、第２活性層１２２を形成する工程Ｓ２２と、第２ｐ側半導体層１２３を形成する工程Ｓ２３と、を含む。

【0064】

第２ｎ側半導体層１２１を形成する工程Ｓ２１は、図５Ｂに示すように、本実施形態では、第１ｎ型層１２１ａを形成する工程Ｓ２１ａと、第２ｎ型層１２１ｂを形成する工程Ｓ２１ｂと、を含む。

【0065】

第１ｎ型層１２１ａを形成する工程Ｓ２１ａでは、例えば、炉内に、キャリアガスと、ＧａおよびＮを含む原料ガスと、ｎ型不純物であるＳｉを含む原料ガスとを供給する。これにより、第１ｎ型層１２１ａを第１発光部１１０上に形成する。なお、第１ｎ型層１２１ａは、ＭＯＣＶＤ法ではなく、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法で形成してもよい。

【0066】

第２ｎ型層１２１ｂを形成する工程Ｓ２１ｂにおいては、炉内に、第２ｎ型層１２１ｂに対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第２ｎ型層１２１ｂを第１ｎ型層１２１ａ上に形成する。

【0067】

第２活性層１２２を形成する工程Ｓ２２は、図５Ｃに示すように、第４障壁層１２２ｃを形成する工程Ｓ２２ａと、第２井戸層１２２ａおよび第２障壁層１２２ｂを形成する工程Ｓ２２ｂと、を含む。

【0068】

第４障壁層１２２ｃを形成する工程Ｓ２２ａにおいては、例えば、アンドープの半導体層およびｎ型の半導体層を第２ｎ側半導体層１２１上に形成する。アンドープの半導体層は、例えば炉内に、キャリアガスと、ＧａおよびＮを含む原料ガスを供給することにより形成する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。ｎ型の半導体層は、例えば炉内に、キャリアガスと、Ｉｎ、Ｇａ、およびＮを含む原料ガスと、ｎ型不純物であるＳｉを含む原料ガスと、を供給することで形成する。

【0069】

第２井戸層１２２ａおよび第２障壁層１２２ｂを形成する工程Ｓ２２ｂでは、先ず、炉内に、キャリアガスと、Ｉｎ、Ｇａ、およびＮを含む原料ガスを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、第４障壁層１２２ｃ上に、アンドープのＩｎＧａＮ層である第２井戸層１２２ａを形成する。次に、炉内に、キャリアガスと、ＧａおよびＮを含む原料ガスを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、第２井戸層１２２ａ上に、アンドープのＧａＮ層である第２障壁層１２２ｂを形成する。本実施形態では、第２井戸層１２２ａの形成と第２障壁層１２２ｂの形成を、交互に複数回行う。これにより、Ｚ方向において交互に並ぶ第２井戸層１２２ａおよび第２障壁層１２２ｂを含む積層体を、第２ｎ側半導体層１２１上に形成する。

【0070】

本実施形態では、第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａが、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａよりも薄くなるように第２井戸層１２２ａを形成する。また、第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂが、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂよりも厚くなるように第２障壁層１２２ｂを形成する。

【0071】

第２ｐ側半導体層１２３を形成する工程Ｓ２３においては、炉内に、第２ｐ側半導体層１２３に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第２ｐ側半導体層１２３を第２活性層１２２の上、すなわち最も上方に位置する第２障壁層１２２ｂ上に形成する。

【0072】

以上により、図７に示すように、第２ｎ側半導体層１２１、第２活性層１２２、および第２ｐ側半導体層１２３を含む第２発光部１２０を、第１発光部１１０上に形成する。

【0073】

次に、ｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成する工程Ｓ３を行う。
ｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成する工程Ｓ３では、先ず、図１に示すように、半導体構造体１２の一部を除去して、第１ｎ側半導体層１１２の第１面１１２ｓ１および第３面１１２ｓ３を、第１活性層１１３、第１ｐ側半導体層１１４、および第２発光部１２０から露出させる。半導体構造体１２の一部は、例えば、レジストを用いて選択的にエッチングすることにより除去することができる。

【0074】

次に、露出した第１面１１２ｓ１の上にｎ側電極１３を形成する。また、第２ｐ側半導体層１２３上にｐ側電極１４を形成する。ｎ側電極１３およびｐ側電極１４は、例えば、スパッタリング法または蒸着法により形成することができる。

【0075】

以上により、発光素子１０を得ることができる。ただし、発光素子１０の製造方法は、上記の方法に限定されない。例えば、発光素子１０の製造方法は、下地層１１１を形成する工程Ｓ１１を含まず、基板１１上に第１ｎ側半導体層１１２が直接形成されてもよい。

【0076】

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０は、第１ｎ側半導体層１１２と、第１ｎ側半導体層１１２上に配置される第１活性層１１３と、第１活性層１１３上に配置される第１ｐ側半導体層１１４と、第１ｐ側半導体層１１４上に配置され、第１ｐ側半導体層１１４にトンネル接合する第２ｎ側半導体層１２１と、第２ｎ側半導体層１２１上に配置される第２活性層１２２と、第２活性層１２２上に配置される第２ｐ側半導体層１２３と、を備える。第１活性層１１３は、第１ｎ側半導体層１１２から第１ｐ側半導体層１１４に向かう積層方向において交互に並ぶ第１井戸層１１３ａおよび第１障壁層１１３ｂを有する。第２活性層１２２は、積層方向において交互に並ぶ第２井戸層１２２ａおよび第２障壁層１２２ｂを有する。第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａは、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａよりも薄い。第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂよりも厚い。

【0077】

第２ｎ側半導体層１２１を第１ｐ側半導体層１１４にトンネル接合させるために、第２ｎ側半導体層１２１のｎ型不純物濃度を高くすることで、第２ｎ側半導体層１２１の結晶性が悪くなる場合がある。第２ｎ側半導体層１２１が結晶性の悪い状態で形成された場合、その第２ｎ側半導体層１２１の結晶性が第２活性層１２２に引き継がれ、第２活性層１２２の結晶性が悪くなることがある。特に、発光に寄与する第２井戸層１２２ａの結晶性が悪化した場合、発光素子１０の発光効率が低下し易い。これに対して、本実施形態では、第２井戸層１２２ａを薄くすることで、第２井戸層１２２ａの結晶性が悪くなることを低減できる。一方、第２障壁層１２２ｂを厚くすることで、結晶性を改善し、その上に形成する第２井戸層１２２ａの結晶性を改善できる。以上により、発光効率が高い発光素子１０を提供できる。

【0078】

また、第１井戸層１１３ａの厚さｔ１ａと第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａとの差は、第１障壁層１１３ｂの厚さｔ１ｂと第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂとの差よりも小さい。これにより、第２井戸層１２２ａを薄くし、第２障壁層１２２ｂを厚くできるため、第２井戸層１２２ａの結晶性を改善できる。その結果、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

【0079】

また、１つの第２井戸層１２２ａと１つの第２障壁層１２２ｂの総膜厚ｔ２は、１つの第１井戸層１１３ａと１つの第１障壁層１１３ｂの総膜厚ｔ１よりも大きい。これにより、第２障壁層１２２ｂを厚くできるため、第２井戸層１２２ａの結晶性を改善できる。その結果、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

【0080】

また、第２障壁層１２２ｂの厚さｔ２ｂは、第２井戸層１２２ａの厚さｔ２ａよりも厚い。これにより、第２井戸層１２２ａを薄くし、第２障壁層１２２ｂを厚くできるため、第２井戸層１２２ａの結晶性を改善できる。その結果、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

【0081】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図８Ａは、本実施形態における第１活性層２１３を拡大して示す断面図である。
図８Ｂは、本実施形態における第２活性層２２２を拡大して示す断面図である。
なお、以下の説明においては、原則として、主に第１の実施形態との相違点を主に説明する。以下に説明する事項以外は、第１の実施形態と同様に構成できる。

【0082】

本実施形態では、第２活性層２２２に設けられた第２井戸層１２２ａの数は、第１活性層２１３に設けられた第１井戸層１１３ａの数よりも少ない。このように結晶性が悪くなり易い第２井戸層１２２ａの数を少なくすることで、第２活性層２２２の結晶性が悪くなることを低減できる。

【0083】

＜実施例＞
次に、実施例および参考例について説明する。
参考例１～３および実施例１～４に係る窒化物半導体発光素子を作成した。参考例１～３および実施例１～４に係る発光素子は、それぞれ、図１に示す発光素子１０と同様の層構造を有する。参考例１～３および実施例１～４に係る発光素子は、それぞれ、下記の表に示す厚さで、第１活性層の第１井戸層および第１障壁層と、第２活性層の第２井戸層および第２障壁層を形成し、その他の層の形成方法が共通するように作成した。なお、以下の表においてｔ１ａ＝３．５ｎｍであり、ｔ１ｂ＝３．６ｎｍである。以下、各発光素子の製造方法について詳述する。

【0084】

【表1】

【0085】

先ず、サファイアからなる基板上に、アンドープのＧａＮ層を含む厚さ約５μｍの下地層を形成した。

【0086】

次に、下地層上に、ＳｉがドープされたＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層とを含む厚さ約５．５μｍの第１ｎ側半導体層を形成した。

【0087】

次に、第１ｎ側半導体層上に、第３障壁層、７個の第１井戸層、および７個の第１障壁層を含む厚さ約５０ｎｍの第１活性層を形成した。第３障壁層は、アンドープのＧａＮ層と、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層とを含む。第１井戸層は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第１障壁層は、アンドープのＧａＮ層である。第１井戸層と第１障壁層は交互に形成した。第１障壁層の厚さｔ１ｂは、第１井戸層の厚さｔ１ａよりも０．１ｎｍ厚くした。

【0088】

次に、第１活性層上にＭｇがドープされたＧａＮ層を含む厚さ約８５ｎｍの第１ｐ側半導体層を形成した。

【0089】

次に、第１ｐ側半導体層上に、第１ｎ型層および第２ｎ型層を含む第２ｎ側半導体層を形成した。第１ｎ型層は、ＳｉがドープされたＧａＮ層を含み、その厚さは、約２ｎｍとした。第２ｎ型層は、ＳｉがドープされたＧａＮ層を含み、その厚さは、約２００ｎｍとした。

【0090】

次に、第２ｎ側半導体層上に、第４障壁層、７個の第２井戸層、および７個の第２障壁層を含む第２活性層を形成した。第４障壁層は、アンドープのＧａＮ層と、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層である。第２井戸層は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。第２障壁層は、アンドープのＧａＮ層である。第２井戸層と第２障壁層は交互に形成した。

【0091】

参考例１では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａと概ね同じとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂと概ね同じとした。参考例２では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａよりも約０．２ｎｍ薄い厚さとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂと概ね同じとした。

【0092】

実施例１では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａよりも約０．２ｎｍ薄い厚さとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂよりも約０．２ｎｍ厚い厚さとした。実施例２では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａよりも約０．２ｎｍ薄い厚さとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂよりも約０．４ｎｍ厚い厚さとした。

【0093】

参考例３では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａよりも約０．４ｎｍ薄い厚さとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂと概ね同じ厚さとした。

【0094】

実施例３では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａよりも約０．４ｎｍ薄い厚さとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂよりも約０．４ｎｍ厚い厚さとした。実施例４では、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さｔ１ａよりも約０．４ｎｍ薄い厚さとし、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さｔ１ｂよりも約０．６ｎｍ厚い厚さとした。

【0095】

次に、第２活性層上に、ＭｇがドープされたＧａＮ層を含む厚さ約１１５ｎｍの第２ｐ側半導体層を形成した。

【0096】

次に、第１ｎ側半導体層、第１活性層、第１ｐ側半導体層、第２ｎ側半導体層、第２活性層、および第２ｐ側半導体層の一部を除去して、露出した第１ｎ側半導体層上にｎ側電極を形成し、第２ｐ側半導体層上にｐ側電極を形成した。

【0097】

図９Ａは、参考例１～３および実施例１～４に係る窒化物半導体発光素子の各順方向電圧Ｖｆを正規化した値Ｖｆ／Ｖｆｒｅｆを示すグラフである。
図９Ｂは、参考例１～３および実施例１～４に係る窒化物半導体発光素子の各出力Ｐｏを正規化した値Ｐｏ／Ｐｏｒｅｆを示すグラフである。
図１０は、参考例１、３および実施例３、４における発光素子の順方向電流Ｉｆと外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を正規化した値Ｅ．Ｑ．Ｅ．／Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆと、の関係を示すグラフである。

【0098】

作成した参考例１～３および実施例１～４に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆをそれぞれ測定した。その結果を図９Ａに示す。なお、図９Ａの縦軸は、参考例１における順方向電圧Ｖｆを基準となる順方向電圧Ｖｆｒｅｆとし、測定した各順方向電圧Ｖｆを基準となる順方向電圧Ｖｆｒｅｆで除算することにより、正規化した値である。

【0099】

また、作成した参考例１～３および実施例１～４に係る発光素子の出力Ｐｏをそれぞれ測定した。その結果を図９Ｂに示す。なお、図９Ｂの縦軸は、参考例における出力Ｐｏを基準となる出力Ｐｏｒｅｆとし、測定した各出力Ｐｏを基準となる出力Ｐｏｒｅｆで除算することにより、正規化した値である。

【0100】

また、作成した参考例１、３および実施例３、４に係る発光素子の順方向電流Ｉｆを０ｍＡ～２００ｍＡの間で変化させ、その時の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を測定した。その結果を図１０に示す。なお、図１０の縦軸は、参考例１における外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．の最大値を基準となる外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆとし、測定した各外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を基準となる外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆで除算することにより、正規化した値である。

【0101】

参考例２、３に係る発光素子は、第２井戸層の厚さが第１井戸層の厚さよりも薄い点で参考例１に係る発光素子と相違する。図９Ａに示すように、参考例１に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆよりも参考例２、３に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆの方が低くなった。第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さよりも薄くすることで、第２井戸層の結晶性が悪くなることを低減できたためと考えられる。一方、図９Ｂに示すように、参考例２、３に係る発光素子の出力Ｐｏは、参考例１に係る発光素子の出力Ｐｏよりも低くなった。このように、第２井戸層の厚さを薄くするだけでは、順方向電圧Ｖｆは低減できるが、出力Ｐｏが低下することが分かった。

【0102】

また、実施例１、２に係る発光素子は、第２障壁層の厚さが第１障壁層の厚さよりも厚い点で参考例２に係る発光素子と相違する。図９Ａに示すように、実施例１、２に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆは、参考例２に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆよりも高くなるものの、参考例１に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆよりも低くなった。また、図９Ｂに示すように、実施例１、２に係る発光素子の出力Ｐｏは、参考例１、２に係る発光素子の出力Ｐｏよりも高くなった。同様に、実施例３、４に係る発光素子は、第２障壁層の厚さが第１障壁層の厚さよりも厚い点で参考例３に係る発光素子と相違する。図９Ａに示すように、実施例３、４に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆは、参考例３に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆよりも高くなるものの、参考例１に係る発光素子の順方向電圧Ｖｆよりも低くなった。また、図９Ｂに示すように、実施例３、４に係る発光素子の出力Ｐｏは、参考例１、３に係る発光素子の出力Ｐｏよりも高くなった。このように、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さよりも厚くすることで、第２井戸層の厚さを薄くしても、さらに参考例１に係る発光素子の出力Ｐｏよりも高くできることが分かった。

【0103】

また、実施例４に係る発光素子の出力Ｐｏは、実施例３に係る発光素子の出力Ｐｏよりも高くなった。実施例４に係る発光素子は、第１井戸層の厚さと第２井戸層の厚さとの差（０．４ｎｍ）が第１障壁層の厚さと第２井戸層の厚さとの差（０．６ｎｍ）よりも小さい点、および、１つの第２井戸層と１つの第２障壁層の総膜厚が１つの第１井戸層と１つの第１障壁層の総膜厚よりも大きい点で実施例３に係る発光素子と相違する。したがって、第１井戸層の厚さと第２井戸層の厚さとの差は、第１障壁層の厚さと第２井戸層の厚さとの差よりも小さいことが好ましい。また、１つの第２井戸層と１つの第２障壁層の総膜厚は、１つの第１井戸層と１つの第１障壁層の総膜厚よりも大きいことが好ましい。

【0104】

図１０に示すように、順方向電流Ｉｆが２００ｍＡ以下の範囲で、参考例３に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．は、参考例１に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．よりも高くなった。したがって、第２井戸層の厚さを第１井戸層の厚さよりも薄くすることで、外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を高めることができることが分かった。

【0105】

また、順方向電流Ｉｆが２００ｍＡ以下の範囲で、実施例３、４に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．は、参考例３に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．よりも高くなった。したがって、第２障壁層の厚さを第１障壁層の厚さよりも厚くすることで、外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を高めることができることが分かった。

【符号の説明】

【0106】

１０ ：窒化物半導体発光素子
１１ ：基板
１２ ：半導体構造体
１３ ：ｎ側電極
１４ ：ｐ側電極
１１０ ：第１発光部
１１１ ：下地層
１１２ ：第１ｎ側半導体層
１１２ｓ１ ：第１面
１１２ｓ２ ：第２面
１１２ｓ３ ：第３面
１１３、２１３：第１活性層
１１３ａ ：第１井戸層
１１３ｂ ：第１障壁層
１１３ｃ ：第３障壁層
１１４ ：第１ｐ側半導体層
１２０ ：第２発光部
１２１ ：第２ｎ側半導体層
１２１ａ ：第１ｎ型層
１２１ｂ ：第２ｎ型層
１２２、２２２：第２活性層
１２２ａ ：第２井戸層
１２２ｂ ：第２障壁層
１２２ｃ ：第４障壁層
１２３ ：第２ｐ側半導体層
ｔ１、ｔ２ ：総膜厚
ｔ１ａ、ｔ１ｂ、ｔ２ａ、ｔ２ｂ：厚さ

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】