JP2009260203A

JP2009260203A - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP2009260203A
Application number: JP2008168516A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Takano; 隆好高野; Kenji Tsubaki; 健治椿; Hideki Hirayama; 秀樹平山; Sachie Fujikawa; 紗千恵藤川
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: KR20100122516A; CN101981711B; KR101238459B1; WO2009119498A1; EP2270879A1; US20110042713A1; JP5279006B2; EP2270879B1; US8445938B2; CN101981711A; EP2270879A4

Abstract

【課題】発光層の内部量子効率を向上できて高出力化が可能な窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】エピタキシャル成長用の単結晶基板１の一表面側に第１のバッファ層２が形成され、第１のバッファ層２の表面側にｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に第２のバッファ層４を介して第３のバッファ層５が形成され、第３のバッファ層５の表面側に発光層６が形成され、発光層６の表面側にｐ形窒化物半導体層７が形成されている。第３のバッファ層５は、発光層６の貫通転位および残留歪みを低減するとともに発光層３の下地の平坦性を向上させ、さらには当該第３のバッファ層５で生成されたキャリアを利用して発光層６のピエゾ電界を緩和するために設けたものであり、ドナーとなる不純物としてＳｉを添加してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関するものである。

可視光〜紫外線の波長域で発光する窒化物半導体発光素子は、低消費電力、小型という利点から、衛生、医療、工業、照明、精密機械などの様々な分野への応用が期待されており、青色光の波長域など、一部の波長域では既に実用化に至っている。

しかしながら、窒化物半導体発光素子においては、青色光を発光する窒化物半導体発光素子（以下、青色発光ダイオードと称する）に限らず、発光効率および光出力のより一層の向上が望まれている。特に、紫外線の波長域の光を発光する窒化物半導体発光素子（以下、紫外発光ダイオードと称する）は、現状では、青色発光ダイオードに比べて光取り出し効率および光出力が著しく劣るという問題が実用化への大きな障壁となっており、その原因の一つに発光層の発光効率（以下、内部量子効率と称する）が低い事が挙げられる。ここにおいて、窒化物半導体（窒化物混晶）により構成される発光層の発光効率は、当該発光層に高密度に形成されてしまう転位や点欠陥などにより著しく低下してしまい、特に、構成元素としてＡｌを含むＡｌＧａＮ三元混晶からなる発光層では、高品質な結晶を成長させることができず、内部量子効率の低下が非常に顕著であった。そこで、転位や欠陥の影響を受けにくい発光層材料の開発が望まれ、ＩｎＡｌＧａＮ四元混晶が注目されるに至り、ＡｌＧａＮにＩｎを加えることにより、紫外発光ダイオードの発光層の内部量子効率が向上し、紫外発光ダイオードの実用化を視野に入れることが可能となった。しかしながら、外部量子効率が数十％と高効率な紫外発光ダイオードを実現する為には、依然として発光層の内部量子効率が不十分であり、さらなる改善が必要なのが現状である。

そこで、ＩｎＡｌＧａＮ四元混晶を発光層に用いた紫外発光ダイオードに関して、エピタキシャル成長用の単結晶基板の一表面側に第１のバッファ層を介して形成されたｎ形窒化物半導体層と、ｎ形窒化物半導体層の表面側に形成された発光層と、発光層の表面側に形成されたｐ形窒化物半導体層とを備え、発光層がＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有し、ｎ形窒化物半導体層と発光層との間に、発光層の障壁層と同じ組成を有する第２のバッファ層が設けてなる紫外発光ダイオードが提案されており（特許文献１）、第２のバッファ層を設けることにより、第２のバッファ層が設けられていない場合に比べて紫外光の高出力化を図れることが確認されている。
特開２００７−７３６３０号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案された紫外発光ダイオードのような積層構造を有する窒化物半導体発光素子では、第２のバッファ層を設けることによりｎ形窒化物半導体層と発光層との格子定数差に起因する発光層の歪みを緩和しても、互いに組成の異なるＡｌＧａＩｎＮ層からなる井戸層と障壁層との格子定数差に起因するピエゾ効果が生じ、ピエゾ効果により発生する電界（以下、ピエゾ電界と称する）によって、発光層に注入された電子と正孔とが空間的に分離されてしまう（電子密度が高くなる位置と正孔密度が高くなる位置とが発光層の厚み方向においてずれてしまう）ので、電子と正孔との再結合確率が低下して発光層の内部量子効率が低下し、外部量子効率が低下してしまうことが考えられる。また、上述の窒化物半導体発光素子では、第２のバッファ層を設けても、発光層の成長前の平坦性が不十分であり、高品質な発光層を形成することが難しかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光層の内部量子効率を向上できて高出力化が可能な窒化物半導体発光素子を提供することにある。

請求項１の発明は、単結晶基板と、当該単結晶基板の一表面側に形成された第１のバッファ層と、第１のバッファ層の表面側に形成されたｎ形窒化物半導体層と、ｎ形窒化物半導体層の表面側に形成された第２のバッファ層と、第２のバッファ層の表面側に形成された発光層と、発光層の表面側に形成されたｐ形窒化物半導体層とを備え、第２のバッファ層と発光層との間に、ドナーとなる不純物が添加された第３のバッファ層が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、第２のバッファ層と発光層との間に、ドナーとなる不純物が添加された第３のバッファ層が設けられているので、発光層中の貫通転位や残留歪を低減できて発光層の結晶性を向上できるとともに、発光層内に生じるピエゾ電界が第３のバッファ層により生成されたキャリアにより緩和され、発光層での内部量子効率を向上できて高出力化が可能となり、さらに、第３のバッファ層に添加する不純物がドナーとして機能するので、導電性を維持した状態で発光層に電子を供給することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記不純物は、Ｓｉであることを特徴とする。

この発明によれば、前記第３のバッファ層の表面の平坦性を向上することができて、前記発光層の高品質化を図れ、前記発光層の内部量子効率の向上を図れる。また、前記ｎ形窒化物半導体層のドナー不純物としてＳｉを採用すれば、ＭＯＶＰＥ装置などの製造装置（エピタキシャル成長装置）において前記第３のバッファ層でドナーとなるＳｉの原料および当該原料を供給するための配管などを別途に用意する必要がなくなるので、製造装置の簡易化を図れ、製造コストの低減を図れる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第３のバッファ層の構成元素が前記第２のバッファ層の構成元素と同一であることを特徴とする。

この発明によれば、製造時において、前記第３のバッファ層を前記第２のバッファ層と同等の成長温度で成長させることが可能であり、前記第２のバッファ層を成長した後に長時間の成長中断を行うことなく前記第３のバッファ層を成長することができるので、前記第２のバッファ層と前記第３のバッファ層との界面を高品質化できるとともに、製造に要する時間の短縮を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記第３のバッファ層のバンドギャップエネルギが前記発光層で発光する光の光子エネルギよりも大きいことを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層で発光した光が前記第３のバッファ層で吸収されることがなくなり、効率良く外部へ取り出される。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記第３のバッファ層の膜厚が、前記第２のバッファ層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層の成長下地となる前記第３のバッファ層の平坦性の向上を図れる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記第３のバッファ層のドナー濃度が、前記ｎ形窒化物半導体層のドナー濃度よりも低いことを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層の成長下地となる前記第３のバッファ層の結晶欠陥を低減でき、前記発光層での内部量子効率を高めることが可能となる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記発光層が量子井戸構造を有し、当該量子井戸構造の障壁層に、ドナーとなる不純物が添加されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層を構成する量子井戸構造の井戸層に接する障壁層にドナーとなる不純物が添加されているので、量子井戸構造を有する発光層内に生じるピエゾ電界を障壁層により生成されたキャリアにより効果的に緩和することができる。

請求項１の発明では、発光層の内部量子効率を向上できて高出力化が可能になるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、紫外発光ダイオードであって、図１に示すように、エピタキシャル成長用の単結晶基板１の一表面側に第１のバッファ層２が形成され、第１のバッファ層２の表面側にｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に第２のバッファ層４を介して第３のバッファ層５が形成され、第３のバッファ層５の表面側に発光層６が形成され、発光層６の表面側にｐ形窒化物半導体層７が形成されている。なお、図示していないが、ｎ形窒化物半導体層３にはカソード電極が形成され、ｐ形窒化物半導体層７にはアノード電極が形成されている。

ここにおいて、単結晶基板１としては、上記一表面が（０００１）面、つまり、ｃ面のサファイア基板を用いている。

第１のバッファ層２は、ｎ形窒化物半導体層３の貫通転位を低減するとともにｎ形窒化物半導体層３の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が２．２μｍの単結晶のＡｌＮ層により構成してある。なお、第１のバッファ層２の膜厚は２．２μｍに限定するものではない。

第１のバッファ層２の形成にあたっては、サファイア基板からなる単結晶基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入した後、反応炉内の圧力を所定の成長圧力（例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒ）に保ちながら基板温度を所定温度（例えば、１２５０℃）まで上昇させてから所定時間（例えば、１０分間）の加熱を行うことにより単結晶基板１の上記一表面を清浄化し、その後、基板温度を上記所定温度と同じ成長温度（ここでは、１２５０℃）に保持した状態で、アルミニウムの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア（ＮＨ_３）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定してから、ＴＭＡｌとＮＨ_３とを同時に反応炉内へ供給開始して単結晶のＡｌＮ層からなる第１のバッファ層２を成長させる。なお、第１のバッファ層２としては、単結晶のＡｌＮ層に限らず、単結晶のＡｌＧａＮ層を採用してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３は、第１のバッファ層２上に形成されたＳｉドープのｎ形Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ｎ層で構成してある。ここで、ｎ形窒化物半導体層３の膜厚は２μｍに設定してあるが、特に限定するものではない。また、ｎ形窒化物半導体層３は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、第１のバッファ層２上のＳｉドープのｎ形Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層と、当該ｎ形Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層上のＳｉドープのｎ形Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ｎ層とで構成してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３の成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素の原料としてＮＨ_３、ｎ形導電性を付与する不純物であるシリコン（Ｓｉ）の原料としてテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスとＮ_２ガスとを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、窒素の原料としてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）を用いてもよい。

第２のバッファ層４は、発光層６の貫通転位を低減するとともに発光層６の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が３ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。ここで、第２のバッファ層４の組成は、バンドギャップエネルギが４．７ｅＶになるように設定してあるが、この値は特に限定するものではなく、発光層６で発光した光が吸収されないバンドギャップエネルギになるように適宜設定すればよい。なお、第２のバッファ層４の膜厚は３ｎｍに限定するものではない。

ここにおいて、第２のバッファ層４の成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。

第３のバッファ層５は、発光層６の貫通転位および残留歪みを低減するとともに発光層６の下地の平坦性を向上させ、さらには当該第３のバッファ層５で生成されたキャリアを利用して発光層６のピエゾ電界を緩和するために設けたものであり、ドナーとなる不純物としてＳｉを添加（ドープ）した膜厚が２０ｎｍのｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。つまり、第３のバッファ層５は、第２のバッファ層４と同一の構成元素により形成されている。ここで、第３のバッファ層５の組成は、第２のバッファ層４と同じに設定してある。要するに、第３のバッファ層５の組成は、当該第３のバッファ層５のバンドギャップエネルギが、発光層６で発光した光が吸収されないバンドギャップエネルギになるように適宜設定すればよい。なお、第３のバッファ層５の膜厚は２０ｎｍに限定するものではない。

ここにおいて、第３のバッファ層５の成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、窒素の原料としてＮＨ_３、シリコンの原料としてＴＥＳｉを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。要するに、第３のバッファ層５の成長条件は、第２のバッファ層４の成長条件に対して、基本的には、原料ガスとしてＴＥＳｉが増えた点が相違するだけである。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。

発光層６は、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造（本実施形態では、多重量子井戸構造となっているが、単一量子井戸構造でもよい）を有し、障壁層を膜厚が５ｎｍのＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成し、井戸層を膜厚が１．７ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。ここで、上記障壁層の組成は、第３のバッファ層と同様、バンドギャップエネルギが４．７ｅＶとなるように設定し、上記井戸層の組成は、バンドギャップエネルギが４．４ｅＶとなるように設定してある。また、発光層６は、上記井戸層の数が３つとなるように上記障壁層と上記井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となっている。なお、上記井戸層および上記障壁層の各組成は限定するものではなく、所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、上記井戸層の数は特に限定するものではなく、例えば上記井戸層を１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、上記障壁層および上記井戸層の各膜厚も特に限定するものではない。また、発光層６は、上記障壁層にＳｉを添加してあるが、Ｓｉの添加量は特に限定するものではなく、必ずしもＳｉを添加する必要はない。

ここにおいて、発光層６の成長条件としては、成長温度を第３のバッファ層４と同じ８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、シリコンの原料としてＴＥＳｉ、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）とし、上記障壁層の成長時のみ供給するようにしている。なお、発光層６は、上記障壁層の成長時と上記井戸層の成長時とでIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させるが、上記障壁層と第３のバッファ層５とが同じ組成に設定されているので、第３のバッファ層５の成長後、成長中断することなく、発光層６のうち最下層の上記障壁層を成長することができる。

ｐ形窒化物半導体層７は、発光層６上に形成されたＭｇドープのｐ形ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第１のｐ形半導体層７ａと、第１のｐ形半導体層７ａ上に形成されたＭｇドープのｐ形ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第２のｐ形半導体層７ｂと、第２のｐ形半導体層７ｂ上に形成されたＭｇドープのｐ形Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層からなる第３のｐ形半導体層７ｃとで構成してある。ここで、第１のｐ形半導体層７ａおよび第２のｐ形半導体層７ｂの各組成は、第１のｐ形半導体層７ａのバンドギャップエネルギが第２のｐ形半導体層７ｂのバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、第２のｐ形半導体層７ｂの組成はバンドギャップエネルギが上記障壁層と同じになるように設定してある。また、ｐ形窒化物半導体層７は、第１のｐ形半導体層７ａの膜厚を６ｎｍ、第２のｐ形半導体層７ｂの膜厚を５０ｎｍ、第３のｐ形半導体層７ｃの膜厚を２０ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

ここにおいて、ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形半導体層７ａおよび第２のｐ形半導体層７ｂの成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、窒素の原料としてＮＨ_３、ｐ形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。また、第３のｐ形半導体層７ｃの成長条件は、基本的に第２のｐ形半導体層７ｂの成長条件と同じであり、ＴＭＡｌの供給を停止している点が相違する。なお、第１〜第３のｐ形半導体層７ａ〜７ｃいずれの成長時もＣｐ₂Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）とし、第１〜第３のｐ形半導体層７ａ〜７ｃそれぞれの組成に応じてIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させる。

ところで、本実施形態の窒化物半導体発光素子の発光層６での内部量子効率を推察するために、発光層６の表面を露出させてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った結果を図２に示す。ここにおいて、図２中の「イ」が７７ＫでのＰＬスペクトルを、「ロ」が室温でのＰＬスペクトルをそれぞれ示しており、７７ＫでのＰＬスペクトルと横軸とで囲まれた領域の面積に対する室温でのＰＬスペクトルと横軸とで囲まれた領域の面積の比は、０．８５程度であり、従来は内部量子効率の高い発光層を形成することが困難であった深紫外域において内部量子効率の高い発光層６が得られているものと推考される。

また、上述の各層２〜７を例示した材料および組成および膜厚で形成した実施例について電流注入発光スペクトルを測定した結果を図３に示す。図３から、Ｓｉを添加した第３のバッファ層を設けた実施例では、深紫外域の約２８０ｎｍに発光ピーク波長を有していることが分かる。

また、第２のバッファ層４と発光層６との間に第３のバッファ層５を設けたことによる効果を確認するために、第３のバッファ層５を設けた上述の実施例の試料と、第３のバッファ層５を設けていない比較例（ただし、比較例の第２のバッファ層の膜厚は、実施例の第２のバッファ層４の膜厚と第３のバッファ層５の膜厚との合計膜厚と同じに設定してある）の試料とを用意し、各試料それぞれの窒化物半導体発光素子を電流注入発光させたときの電流−光出力特性を測定した結果を図４に示す。ここにおいて、図４中の「イ」が実施例の電流−光出力特性を、「ロ」が比較例の電流−光出力特性をそれぞれ示しており、図４から、第２のバッファ層４と発光層６との間に第３のバッファ層５を設けた実施例の方が、光出力が高くなっていることが分かる。

以上説明した本実施形態の窒化物半導体発光素子によれば、第２のバッファ層４と発光層６との間に、ドナーとなる不純物が添加された第３のバッファ層５が設けられているので、発光層６中の貫通転位や残留歪を低減できて発光層６の結晶性を向上でき内部量子効率を向上できるとともに、発光層６内に生じるピエゾ電界が第３のバッファ層５により生成されたキャリアにより緩和され、発光層６での内部量子効率を向上できて高出力化が可能となり、さらに、第３のバッファ層５に添加する不純物がドナーとして機能するので、導電性を維持した状態で発光層６に電子を供給することができる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第３のバッファ層５の不純物がＳｉなので、第３のバッファ層５の表面の平坦性を向上することができて、発光層６の成長下地の平坦性が向上して発光層６の高品質化を図れ、発光層６の内部量子効率の向上を図れる。なお、第３のバッファ層５については、不純物としてＳｉを添加することで平坦性が向上することを、ＡＦＭ（atomic force microscope）の測定結果により確認している。また、ｎ形窒化物半導体層３のドナー不純物としてＳｉを採用すれば、例えば上述のＭＯＶＰＥ装置などの製造装置（エピタキシャル成長装置）において第３のバッファ層５でドナーとなるＳｉの原料および当該原料を供給するための配管などを別途に用意する必要がなくなるので、製造装置の簡易化を図れ、製造コストの低減を図れる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第３のバッファ層５の構成元素が第２のバッファ層４の構成元素と同一なので、製造時において、第３のバッファ層５を第２のバッファ層４と同一ないし同等の成長温度で成長させることが可能であり、第２のバッファ層４を成長した後に成長条件変更のための長時間の成長中断を行うことなく第３のバッファ層５を成長することができるので、第２のバッファ層４と第３のバッファ層５との界面を高品質化できるとともに、製造に要する時間の短縮を図れる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第３のバッファ層５のバンドギャップエネルギが発光層６で発光する光の光子エネルギよりも大きいので、発光層６で発光した光が第３のバッファ層５で吸収されることがなくなり、効率良く外部へ取り出される。

（実施形態２）
図５に示す本実施形態の窒化物半導体発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、単結晶基板１、第１のバッファ層２以外の各層３〜７の構成元素や組成などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の窒化物半導体発光素子では、ｎ形窒化物半導体層３が、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ_0.68Ｇａ_0.32Ｎ層により構成され、第２のバッファ層４が、Ａｌ_0.64Ｇａ_0.36Ｎ層により構成され、第３のバッファ層５が、ドナーとなる不純物であるＳｉが添加されたＡｌ_0.64Ｇａ_0.36Ｎ層により構成され、発光層６が、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎ／Ａｌ_0.64Ｇａ_0.36Ｎ量子井戸構造により構成され、ｐ形窒化物半導体層７が、発光層６上のＭｇドープのｐ形Ａｌ_0.80Ｇａ_0.20Ｎ層からなる第１のｐ形半導体層７ａと、第１のｐ形半導体層７ａ上のＭｇドープのｐ形Ａｌ_0.64Ｇａ_0.36Ｎ層からなる第２のｐ形半導体層７ｂと、第２のｐ形半導体層７ｂ上のＭｇドープのｐ形ＧａＮ層からなる第３のｐ形半導体層７ｃとで構成されている点が相違する。

第２のバッファ層４は、膜厚を１５ｎｍに設定し、組成をバンドギャップエネルギが４．７ｅＶになるように設定してあるが、膜厚や組成は特に限定するものではない。

ここにおいて、第２のバッファ層４の成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。

第３のバッファ層５は、ドナーとなる不純物としてＳｉを添加した膜厚が１００ｎｍのＡｌ_0.64Ｇａ_0.36Ｎ層により構成してある。つまり、第３のバッファ層５は、第２のバッファ層４と同一の構成元素により形成されている。ここで、第３のバッファ層５の組成は、第２のバッファ層４と同じに設定してある。要するに、第３のバッファ層５の組成は、当該第３のバッファ層５のバンドギャップエネルギが、発光層６で発光した光が吸収されないバンドギャップエネルギになるように適宜設定すればよい。なお、第３のバッファ層５の膜厚は１００ｎｍに限定するものではない。

ここにおいて、第３のバッファ層５の成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、シリコンの原料としてＴＥＳｉを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。要するに、第３のバッファ層５の成長条件は、第２のバッファ層４の成長条件に対して、基本的には、原料ガスとしてＴＥＳｉが増えた点が相違するだけである。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。

発光層６は、障壁層を膜厚が１０ｎｍのＡｌ_0.64Ｇａ_0.36Ｎ層により構成し、井戸層を膜厚が３ｎｍのＡｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎ層により構成してある。ここで、上記障壁層の組成は、第３のバッファ層５の素子と同じに設定し、上記井戸層の組成はバンドギャップエネルギが４．４ｅＶとなるように設定してある。また、発光層６は、上記井戸層の数が３つとなるように上記障壁層と上記井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となっている。なお、上記井戸層および上記障壁層の各組成は限定するものではなく、所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、上記井戸層の数は特に限定するものではなく、例えば上記井戸層を１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、上記障壁層および上記井戸層の各膜厚も特に限定するものではない。

ここにおいて、発光層６の成長条件としては、成長温度を第３のバッファ層４と同じ１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。なお、発光層６は、上記障壁層の成長時と上記井戸層の成長時とでIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させるが、上記障壁層と第３のバッファ層５とが同じ組成に設定されているので、第３のバッファ層５の成長後、成長中断することなく、発光層６のうち最下層の上記障壁層を成長することができる。

ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形半導体層７ａおよび第２のｐ形半導体層７ｂの各組成は、第１のｐ形半導体層７ａのバンドギャップエネルギが第２のｐ形半導体層７ｂのバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、第２のｐ形半導体層の組成はバンドギャップエネルギが上記障壁層と同じになるように設定してある。また、ｐ形窒化物半導体層７は、第１のｐ形半導体層７ａの膜厚を２０ｎｍ、第２のｐ形半導体層７ｂの膜厚を５０ｎｍ、第３のｐ形半導体層７ｃの膜厚を２０ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

ここにおいて、ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形半導体層７ａおよび第２のｐ形半導体層７ｂの成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、ｐ形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてＣｐ₂Ｍｇを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。また、第３のｐ形半導体層７ｃの成長条件は、基本的に第２のｐ形半導体層７ｂの成長条件と同じであり、ＴＭＡｌの供給を停止している点が相違する。なお、各ｐ形半導体層７ａ〜７ｃいずれの成長時もＣｐ₂Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）としている。

以上説明した本実施形態の窒化物半導体発光素子によれば、実施形態１と同様に、第２のバッファ層４と発光層６との間に、ドナーとなる不純物が添加された第３のバッファ層５が設けられているので、発光層６中の貫通転位や残留歪を低減できて発光層６の結晶性を向上でき内部量子効率を向上できるとともに、発光層６内に生じるピエゾ電界が第３のバッファ層５により生成されたキャリアにより緩和され、発光層６での内部量子効率を向上できて高出力化が可能となり、さらに、第３のバッファ層５に添加する不純物がドナーとして機能するので、導電性を維持した状態で発光層６に電子を供給することができる。また、本実施形態の窒化物半導体発光素子においても、第３のバッファ層５の不純物がＳｉなので、第３のバッファ層５の表面の平坦性を向上することができて、発光層６の成長下地の平坦性が向上して発光層６の高品質化を図れ、発光層６の内部量子効率の向上を図れる。

（実施形態３）
図６に示す本実施形態の窒化物半導体発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、単結晶基板１以外の各層２〜７の構成元素や組成などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の窒化物半導体発光素子は、可視光発光ダイオードであり、第１のバッファ層２が、ＧａＮ層により構成され、ｎ形窒化物半導体層３がＳｉドープのｎ形ＧａＮ層により構成され、第２のバッファ層４が、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層により構成され、第３のバッファ層５が、ドナーとなる不純物であるＳｉが添加されたＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層により構成され、発光層６が、Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ量子井戸構造により構成され、ｐ形窒化物半導体層７が、発光層６上のＭｇドープのｐ形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層からなる第１のｐ形半導体層７ａと、第１のｐ形半導体層７ａ上のＭｇドープのｐ形ＧａＮ層からなる第２のｐ形半導体層７ｂとで構成されている点が相違する。

第１のバッファ層２は、ｎ形窒化物半導体層３の貫通転位を低減するとともにｎ形窒化物半導体層３の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が２５ｎｍの低温ＧａＮバッファ層により構成してある。なお、第１のバッファ層２の膜厚は２５ｎｍに限定するものではない。

第１のバッファ層２の形成にあたっては、サファイア基板からなる単結晶基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入した後、反応炉内の圧力を所定の成長圧力（例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒ）に保ちながら基板温度を所定温度（例えば、１２５０℃）まで上昇させてから所定時間（例えば、１０分間）の加熱を行うことにより単結晶基板１の上記一表面を清浄化し、その後、基板温度を下降させて所定の基板温度（ここでは、５００℃）に保持した状態で、ガリウムの原料であるＴＭＧａの流量を標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア（ＮＨ_３）の流量を標準状態で２Ｌ／ｍｉｎ（２ＳＬＭ）に設定してから、ＴＭＧａとＮＨ_３とを同時に反応炉内へ供給開始してアモルファス状のＧａＮ層を堆積させ、その後、基板温度を所定のアニール温度（例えば、１１００℃）まで上昇させて基板温度を上記アニール温度に５分間保持するアニールを行うことにより、多結晶化されたＧａＮ層からなる第１のバッファ層２を得る。なお、第１のバッファ層２としては、ＧａＮ層に限らず、ＡｌＧａＮ層やＡｌＮ層を採用してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３は、第１のバッファ層２上に形成されたｎ形ＧａＮ層で構成してある。ここで、ｎ形窒化物半導体層３の膜厚は４μｍに設定してあるが、特に限定するものではない。また、ｎ形窒化物半導体層３は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、第１のバッファ層２上のｎ形Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層と、当該ｎ形Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層上のｎ形ＧａＮ層とで構成してもよい。

ｎ形窒化物半導体層３の成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、ｎ形導電性を付与する不純物であるＳｉの原料としてＴＥＳｉを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスとＮ_２ガスとを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてＴＥＧａ、窒素の原料としてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてＳｉＨ_４を用いてもよい。

第２のバッファ層４は、膜厚が１５ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層により構成され、組成をバンドギャップエネルギが３．２ｅＶになるように設定してあるが、膜厚や組成は特に限定するものではない。

ここにおいて、第２のバッファ層４の成長条件としては、成長温度を７５０℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。

第３のバッファ層５は、発光層６の貫通転位および残留歪みを低減するとともに発光層３の下地の平坦性を向上させ、さらには当該第３のバッファ層５で生成されたキャリアを利用して発光層６のピエゾ電界を緩和するために設けたものであり、ドナーとなる不純物としてＳｉを添加した膜厚が１００ｎｍのＩｎＧａＮ層により構成してある。つまり、第３のバッファ層５は、第２のバッファ層４と同一の構成元素により形成されている。ここで、第３のバッファ層５の組成は、第２のバッファ層４と同じに設定してある。要するに、第３のバッファ層５の組成は、当該第３のバッファ層５のバンドギャップエネルギが、発光層６で発光した光が吸収されないバンドギャップエネルギになるように適宜設定すればよい。なお、第３のバッファ層５の膜厚は１００ｎｍに限定するものではない。

ここにおいて、第３のバッファ層５の成長条件としては、成長温度を７５０℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、シリコンの原料としてＴＥＳｉを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。要するに、第３のバッファ層５の成長条件は、第２のバッファ層４の成長条件に対して、基本的には、原料ガスとしてＴＥＳｉが増えた点が相違するだけである。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。

発光層６は、障壁層を膜厚が１０ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層により構成し、井戸層を膜厚が３ｎｍのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層により構成してある。ここで、上記障壁層の組成は、第３のバッファ層５の素子と同じに設定し、上記井戸層の組成はバンドギャップエネルギが２．７ｅＶとなるように設定してある。また、発光層６は、上記井戸層の数が３つとなるように上記障壁層と上記井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造となっている。なお、上記井戸層および上記障壁層の各組成は限定するものではなく、所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、上記井戸層の数は特に限定するものではなく、例えば上記井戸層を１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、上記障壁層および上記井戸層の各膜厚も特に限定するものではない。

ここにおいて、発光層６の成長条件としては、成長温度を第３のバッファ層４と同じ７５０℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ_２ガスを用いている。なお、発光層６は、上記障壁層の成長時と上記井戸層の成長時とでIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させるが、上記障壁層と第３のバッファ層５とが同じ組成に設定されているので、第３のバッファ層５の成長後、成長中断することなく、発光層６のうち最下層の上記障壁層を成長することができる。

ｐ形窒化物半導体層７は、発光層６上に形成されたｐ形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層からなる第１のｐ形半導体層７ａと、第１のｐ形半導体層７ａ上に形成されたｐ形ＧａＮ層からなる第２のｐ形半導体層７ｂとで構成してある。ここで、第１のｐ形半導体層７ａおよび第２のｐ形半導体層７ｂの各組成は、第１のｐ形半導体層７ａのバンドギャップエネルギが第２のｐ形半導体層７ｂのバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、ｐ形窒化物半導体層７は、第１のｐ形半導体層７ａの膜厚を２０ｎｍ、第２のｐ形半導体層７ｂの膜厚を５０ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

ここにおいて、ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形半導体層７ａの成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、窒素の原料としてＮＨ_３、ｐ形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてＣｐ₂Ｍｇを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ_２ガスを用いている。また、第２のｐ形半導体層７ｂの成長条件は、基本的に第１のｐ形半導体層７ａの成長条件と同じであり、ＴＭＡｌの供給を停止している点が相違する。なお、各ｐ形半導体層７ａ，７ｂいずれの成長時もＣｐ₂Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）としている。

（実施形態４）
本実施形態の窒化物半導体発光素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、第１のバッファ層２、第３のバッファ層５それぞれの膜厚や、第３のバッファ層５上の発光層６の構造や、ｐ形窒化物半導体層７の第１〜第３のｐ形半導体層７ａ〜７ｃの膜厚などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、単結晶のＡｌＮ層からなる第１のバッファ層２の膜厚を２．５ｎｍに設定し、ドナーとなる不純物としてＳｉを添加したｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第３のバッファ層５の膜厚を１８ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

また、発光層６は、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造（本実施形態では、多重量子井戸構造となっているが、単一量子井戸構造でもよい）を有し、井戸層６ａと障壁層６ｂとを井戸層６ａの数が２となるように交互に積層してある。ここで、発光層６は、各井戸層６ａを膜厚が１．７ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ層により構成し、井戸層６ａ，６ａ間の障壁層６ｂを膜厚が７ｎｍのＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成し、井戸層６ａとｐ形窒化物半導体層８との間の障壁層６ｂを膜厚が１４ｎｍ（井戸層６ａ，６ａ間の障壁層６ｂを膜厚の２倍の膜厚）のＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。また、障壁層６ｂの組成は、第３のバッファ層と同様、バンドギャップエネルギが４．７ｅＶとなるように設定し、井戸層６ａの組成は、バンドギャップエネルギが４．４ｅＶとなるように設定してある。なお、井戸層６ａおよび障壁層６ｂの各組成は限定するものではなく、所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、井戸層６ａの数は特に限定するものではなく、例えば井戸層６ａを１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、障壁層６ｂおよび井戸層６ａの各膜厚も特に限定するものではない。また、発光層６は、上記障壁層にＳｉを添加してあるが、Ｓｉの添加量は特に限定するものではなく、必ずしもＳｉを添加する必要はない。

また、ｐ形窒化物半導体層７は、ｐ形ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第１のｐ形半導体層７ａの膜厚を１５ｎｍ、ｐ形ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第２のｐ形半導体層７ｂの膜厚を５５ｎｍ、ｐ形Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層からなる第３のｐ形半導体層７ｃの膜厚を１５ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

ところで、第２のバッファ層４を設けたことによる効果を確認するために、第２のバッファ層４の膜厚を変化させた複数の試料について発光層６の表面を露出させて室温（ＲＴ）でのＰＬ測定を行った結果を図８に示す。図８から、第２のバッファ層４を設けることでＰＬ発光強度が増加し、第２のバッファ層４の膜厚が２．５ｎｍの試料で良い結果が得られていることが分かるが、第２のバッファ層４の膜厚が５ｎｍを越える領域では、ＰＬ発光強度が減少している。これは、第２のバッファ層４の膜厚が厚くなりすぎて平坦性が悪化したためであると推察される。

また、第３のバッファ層５を設けたことによる効果を確認するために、第３のバッファ層の膜厚を変化させた複数の試料について発光層６の表面を露出させて室温（ＲＴ）でのＰＬ測定を行った結果を図９に示す。図９から、第３のバッファ層５の膜厚を第２のバッファ層４の膜厚（３ｎｍ）よりもやや大きくした試料（第３のバッファ層５の膜厚が５ｎｍの試料）に比べて、第３のバッファ層５の膜厚をより厚くした３つの試料でＰＬ発光強度が増加し、１７．５ｎｍの試料で良い結果が得られていることが分かり、第３のバッファ層５の膜厚を第２のバッファ層４よりも厚くすることでＰＬ発光強度を増加できることが分かるが、第３のバッファ層５の膜厚を２２．５ｎｍとした試料では１７．５ｎｍとした試料に比べてＰＬ発光強度が減少している。これは、第３のバッファ層５がＳｉを添加したｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成されるとともに、発光層６の各井戸層６ａがＡｌＧａＩｎＮ層により構成され、発光層６の障壁層６ｂがＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成されており、Ｉｎを含んだ窒化物半導体の結晶成長では、貫通転位に起因したＶ型の形状の欠陥（以下、Ｖ型欠陥と称する）が発生するので、成長膜厚が厚くなることによりＶ型欠陥に起因して発光層６の体積が減少して発光強度が減少したものと推察される。

さらに、ドナーとなるＳｉの添加による効果を確認するために、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ｎ層からなるｎ形窒化物半導体層３のＳｉの濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とし、第３のバッファ層５および障壁層６ｂのＳｉの濃度を変化させた複数の試料について発光層６の表面を露出させて室温（ＲＴ）でのＰＬ測定を行った結果を図１０に示す。図１０から、第３のバッファ層５および障壁層６ｂのＳｉの濃度を５×１０^１６ｃｍ^−３とした試料で良い結果が得られた。

また、上述の各層２〜７を例示した材料および組成および膜厚で形成した実施例の窒化物半導体発光素子について電流注入発光スペクトルを測定した結果を図１１に、同実施例の窒化物半導体発光素子について室温（ＲＴ）で電流注入発光させたときの電流−光出力および外部量子効率の関係を測定した結果を図１２に示す。

図１１から、Ｓｉを添加した第３のバッファ層を設けた実施例の窒化物半導体発光素子では、深紫外域の約２８２ｎｍに発光ピーク波長を有していることが分かる。また、図１２において、「イ」が実施例の電流−光出力特性を、「ロ」が電流−外部量子効率特性をそれぞれ示しており、光出力は、最大で１０．６ｍＷ、外部量子効率は、最大で１．２％であった。

以上説明した本実施形態の窒化物半導体発光素子によれば、実施形態１と同様に、第２のバッファ層４と発光層６との間に、ドナーとなる不純物が添加された第３のバッファ層５が設けられているので、発光層６中の貫通転位や残留歪を低減できて発光層６の結晶性を向上でき内部量子効率を向上できるとともに、発光層６内に生じるピエゾ電界が第３のバッファ層５により生成されたキャリアにより緩和され、発光層６での内部量子効率を向上できて高出力化が可能となり、さらに、第３のバッファ層５に添加する不純物がドナーとして機能するので、導電性を維持した状態で発光層６に電子を供給することができる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第３のバッファ層５の膜厚（例えば、１８ｎｍ）が、第２のバッファ層４の膜厚（例えば、３ｎｍ）よりも厚いので、発光層６の成長下地となる第３のバッファ層５の平坦性の向上を図れる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、第３のバッファ層５のドナー濃度が、ｎ形窒化物半導体層３のドナー濃度よりも低いので、発光層６の成長下地となる第３のバッファ層５の結晶欠陥を低減でき、発光層６での内部量子効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、発光層６を構成する量子井戸構造の井戸層６ａに接する障壁層６ｂにドナーとなる不純物が添加されているので、量子井戸構造を有する発光層６内に生じるピエゾ電界を障壁層６ｂにより生成されたキャリアにより効果的に緩和することができる。

ところで、上記各実施形態では、発光層６が多重量子井戸構造ないし単一量子井戸構造を有しているが、発光層６を単層構造として、当該発光層６と当該発光層６の厚み方向の両側の層（第３のバッファ層５、ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形半導体層）とでダブルへテロ構造が形成されるようにしてもよい。また、本発明の技術思想は、上記各実施形態で説明した基本構成が適用できれば、様々な構造に応用、発展させることが可能である。

また、上記各実施形態では、窒化物半導体発光素子をＭＯＶＰＥ法を利用して製造する方法について例示したが、結晶成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを採用してもよい。

また、上記各実施形態では、窒化物半導体発光素子における単結晶基板１としてサファイア基板を用いているが、単結晶基板１はサファイア基板に限定するものではなく、例えば、スピネル基板、シリコン基板、炭化シリコン基板、酸化亜鉛基板、リン化ガリウム基板、砒化ガリウム基板、酸化マグネシウム基板、硼化ジルコニウム基板、III族窒化物系半導体結晶基板などを用いてもよい。

実施形態１の窒化物半導体発光素子の概略断面図である。同上の発光層のフォトルミネッセンス測定結果を示すＰＬスペクトル図である。同上の実施例の電流注入発光スペクトル図である。同上の実施例および比較例の電流−光出力特性図である。実施形態２の窒化物半導体発光素子の概略断面図である。実施形態３の窒化物半導体発光素子の概略断面図である。実施形態４の窒化物半導体発光素子の概略断面図である。同上における第２のバッファ層の膜厚とＰＬ発光強度との関係図である。同上における第３のバッファ層の膜厚とＰＬ発光強度との関係図である。同上における第３のバッファ層および障壁層のＳｉ濃度とＰＬ発光強度との関係図である。同上の実施例の電流注入発光スペクトル図である。同上の実施例の電流と光出力および外部量子効率との関係図である。

符号の説明

１単結晶基板
２第１のバッファ層
３ｎ形窒化物半導体層
４第２のバッファ層
５第３のバッファ層
６発光層
６ａ井戸層
６ｂ障壁層
７ｐ形窒化物半導体層

Claims

単結晶基板と、当該単結晶基板の一表面側に形成された第１のバッファ層と、第１のバッファ層の表面側に形成されたｎ形窒化物半導体層と、ｎ形窒化物半導体層の表面側に形成された第２のバッファ層と、第２のバッファ層の表面側に形成された発光層と、発光層の表面側に形成されたｐ形窒化物半導体層とを備え、第２のバッファ層と発光層との間に、ドナーとなる不純物が添加された第３のバッファ層が設けられてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
前記不純物は、Ｓｉであることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３のバッファ層の構成元素が前記第２のバッファ層の構成元素と同一であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３のバッファ層のバンドギャップエネルギが前記発光層で発光する光の光子エネルギよりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３のバッファ層の膜厚が、前記第２のバッファ層の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３のバッファ層のドナー濃度が、前記ｎ形窒化物半導体層のドナー濃度よりも低いことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記発光層が量子井戸構造を有し、当該量子井戸構造の障壁層に、ドナーとなる不純物が添加されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。