JP2017017144A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】第１発光層よりも短い発光波長を有する第２発光層を設けつつ、第１発光層からの発光が主となる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子１は、ｎ型窒化物半導体層９，１０と、第２発光層１３と、第１発光層１５と、ｐ型窒化物半導体層１６〜１８とをこの順に備え、第２発光層１３は、第２井戸層と当該第２井戸層よりもバンドギャップの大きい第２バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第２井戸層を含み、第１発光層１５は、第１井戸層と当該第１井戸層よりもバンドギャップの大きい第１バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第１井戸層を含み、第１井戸層のバンドギャップが第２井戸層のバンドギャップよりも小さく、駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と第１発光層の発光波長との差が１０ｎｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下「窒化物半導体」と呼ぶ）は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップを有しているため、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子やその領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料として有用である。

また、窒化物半導体は、窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。

さらに、窒化物半導体は、環境を害することがほとんどなく、取り扱いやすい材料としても注目されている。

窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子では、発光層として量子井戸構造を採用することが一般的である。電圧が印加されると、発光層中の井戸層において電子とホールとが再結合され、これにより、光が発生する。発光層は、単一量子井戸構造からなっても良いし、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造からなっても良い。

このような窒化物半導体発光素子が開示された文献として、特開平１０−２２５２５号公報（特許文献１）、特開２００７−０６７４１８号公報（特許文献２）、特開２００１−２８４５８号公報（特許文献３）、特開２００２−１７６１９８号公報（特許文献４）および特開２００７−１４２４２６号公報（特許文献５）が挙げられる。

特許文献１には、多重量子井戸構造の発光素子において、発光する複数の井戸層の混晶比を変化させることにより、各井戸層からの発光の合成光を発する窒化物半導体発光素子が開示されている。具体的には、発光層は、ｎ層側から、Ｉｎ０．６８Ｇａ０．３２Ｎから成る井戸層を備える第１多重量子井戸と、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎから成る井戸層を備えた第２多重量子井戸からなる。

この構造の発光ダイオードは、第１多重量子井戸からは、ピーク波長５７０ｎｍの黄緑色を発光し、第２多重量子井戸からは、ピーク波長４５０ｎｍの青色を発光し、この２つの発光の混合により、白色発光を得ることができるとされている。

あるいは、発光層が、井戸層がＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎの第１多重量子井戸、井戸層がＩｎ０．４６Ｇａ０．５４Ｎの第２多重量子井戸、井戸層がＩｎ０．４３Ｇａ０．５７Ｎの第３多重量子井戸とで構成され、これらの光を合成することで、スペクトルに広がりを持った光を得ることができるとされている。

特許文献２においても、複数の発光層を組み合わせて連続的なスペクトルを得る発光素子が開示されている。

特許文献３においても、活性層に２つの多重量子井戸構造を備え、ｎ型クラッド層側に近い第１井戸層は青色発光し、ｐ型クラッド層に近い第２井戸層は黄色発光する発光素子が開示されている。青色発光及び黄色発光のスペクトルは、特許文献３の図４に示されるように明瞭に分離されている。

特許文献４においても、発光スペクトルに２つのピークを備えた発光素子が開示されている。

特許文献５には、ｐ型窒化物層に隣接し第１波長光を放出する第１量子井戸活性層と、第２量子井戸活性層とを含む発光素子の例としてＡ、Ｂ、Ｃ形態が比較されている。Ａ形態は第１量子井戸活性層である青色活性層が３つの量子井戸、第２量子井戸活性層である緑色活性層が３つの量子井戸（「青色活性層（×３）と緑色活性層（×３）」と記す）、Ｂ形態は緑色活性層（×５）と青色活性層（×３）、Ｃ形態は緑色活性層（×５）と青色活性層（×１）を備える。

両活性層を光らせるためには、相対的に短波長の活性層は長波長の活性層よりｐ型窒化物層に隣接して配置することが好ましいとされている。上記第１活性層は約４５０〜約４７５ｎｍの発光波長を有し、上記第２活性層は約５５０〜６００ｎｍの発光波長を有することができるとされている。

特開平１０−２２５２５号公報 特開２００７−０６７４１８号公報 特開２００１−２８４５８号公報 特開２００２−１７６１９８号公報 特開２００７−１４２４２６号公報

従来の技術では、２波長発光あるいは複数波長の発光を目的として、発光波長の異なる発光層（活性層）を組み合わせ、その全体を発光させる発光素子が提案されている。しかしながら、単に発光波長の異なる複数の発光層を組み合わせるだけでは、複数のピーク波長を有する光が混合されるのみで、ひとつの発光層の発光波長に近い光を得られることが困難であり、また、発光素子全体として得られるスペクトル波長は、半値幅が大きくなり、指向性を向上させることはできなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、第１発光層よりも短い発光波長を有する第２発光層を設けつつ、第１発光層からの発光が主となる窒化物半導体発光素子を提供することである。

本願発明者は、発光層の効率を向上させるという観点から、構成としては第１発光層と、それとは発光波長の異なる第２発光層を組み合わせ、第１発光層の発光を向上させることができるという意外性のある知見を得た。

つまり、構成上は複数の発光層を備える従来技術と類似するものの、作用効果としては第１発光層の発光効率向上及び第２発光層からの発光抑制を目的とするものである。第２発光層の発光を抑制しているため、主として第１発光層からの発光による、半値幅の狭い発光スペクトルを得ることができる。

第１発光層と第２発光層を組みあわせることに加えて、第２発光層へのホール注入による発光を抑制するための構成上の差異により、第１発光層からの発光が支配的な発光素子を得ることができる。

本発明に基づく窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第１発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備え、上記第２発光層は、第２井戸層と当該第２井戸層よりもバンドギャップの大きい第２バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第２井戸層を含み、上記第１発光層は、第１井戸層と当該第１井戸層よりもバンドギャップの大きい第１バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第１井戸層を含み、上記第１井戸層のバンドギャップが上記第２井戸層のバンドギャップよりも小さく、駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と上記第１発光層の発光波長との差が１０ｎｍ以下である。

本発明に基づく窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第１発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備え、上記第２発光層は、第２井戸層と当該第２井戸層よりもバンドギャップの大きい第２バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第２井戸層を含み、上記第１発光層は、第１井戸層と当該第１井戸層よりもバンドギャップの大きい第１バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第１井戸層を含み、上記第１井戸層のバンドギャップが上記第２井戸層のバンドギャップよりも小さく、駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と駆動電流値の１／１０の電流値における発光スペクトルのピーク波長との差が１０ｎｍ以下である。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記駆動電流値における発光スペクトルにおいて、上記ピーク波長をλｐとし、上記ピーク波長よりも短波長側に位置し、上記ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ１とし、上記ピーク波長よりも長波長側に位置し、上記ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ２とした場合に、下記式（１）を充足することが好ましい。
０．４５≦（λｐ−λ１）／（λ２−λｐ）≦１．５５・・・式（１）。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第２発光層は、上記第１発光層より５ｎｍ以上短波長の光を発するように、上記第２井戸層のバンドギャップが設定されていることが好ましい。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第１発光層はアンドープであってもよく、上記第２発光層はｎ型ドーパントを含んでいてもよい。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第１発光層および上記第２発光層のすべてがアンドープであってもよい。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、ｎ型窒化物半導体層は、多層膜構造を備えていてもよい。この場合には、上記多層膜構造を構成する各層の厚さが１０ｎｍ以上であることが好ましい。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第１発光層のＥＬ発光波長が４３０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。さらに、上記ＥＬ発光波長をＸとし、上記第１井戸層の厚みをＴとした場合に、下記式（２）を満たすことがこのましい。
０．０００１Ｘ^２−０．１４３３Ｘ＋４０．９４３≦Ｔ≦０．０００２Ｘ^２−０．２７８４Ｘ＋８３．４１４・・・式（２）。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第１発光層は、上記第１井戸層と上記第１バリア層とが交互に位置する積層膜を含んでいてもよい。この場合には、上記第１発光層の井戸層数は３以上６以下であることが好ましい。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第２発光層は、上記第２井戸層と上記第２バリア層とが交互に位置する積層膜を含んでいてもよい。また、上記第１発光層および上記第２発光層は、上記第１井戸層と上記第２バリア層とが積層方向に隣接するように設けられていてもよい。この場合には、上記第１井戸層に隣接する上記第２バリア層は、上記第１バリア層よりも厚くてもよい。

上記本発明に基づく窒化物半導体発光素子にあっては、上記第２発光層は、上記第２井戸層と上記第２バリア層とが交互に位置する積層膜を含んでいてもよい。また、上記第１発光層および上記第２発光層は、上記第１井戸層と上記第２バリア層とが積層方向に隣接するように設けられていてもよい。この場合には、上記第１井戸層に隣接する上記第２バリア層は、ｎ型ドーパントを含んでいてもよく、上記第１井戸層は、アンドープであってもよい。

本発明によれば、第１発光層よりも短い発光波長を有する第２発光層を設けることで、第２発光層から発光を抑制しつつ、第１発光層からの発光が支配的となる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層におけるバンドギャップＥｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層における第１発光層のＥＬ発光波長と好ましい第１井戸層の厚さとの関係を示す図である。 電流値を１２０ｍＡとし、環境温度を２５℃とした場合における実施例１−３に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。 電流値を１２０ｍＡとし、環境温度を８０℃とした場合における実施例１−３に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例１に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルの電流依存性を示すグラフである。

以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
以下では「キャリア濃度」という言葉と「ドーピング濃度」という言葉とを用いているが、その関係については後述する。

また、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。さらに、本発明の図面において、長さ、幅、および厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

図１および図２は、それぞれ、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１の概略断面図および概略平面図である。図２に示すＩ−Ｉ線における断面図が図１に相当する。また、図３は、図１に示された窒化物半導体発光素子１における多層膜１１からｐ型窒化物半導体層１６までにおけるバンドギャップＥｇの大きさを模式的に示すエネルギー図である。図３の縦軸方向は図１に示す層の上下方向であり、図３の横軸のＥｇは各組成におけるバンドギャップの大きさを模式的に表している。また、図３では、ｎ型ドーピングを行なう層には斜線を塗っている。

＜窒化物半導体発光素子＞
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１は、基板３の上面上に、バッファ層５と、下地層７と、ｎ型窒化物半導体層９，１０と、多層膜１１と、第２発光層１３と、第１発光層１５と、ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８とがこの順に積層されてメサ部３０（図２参照）が構成されている。メサ部３０の外側においては、ｎ型窒化物半導体層１０の上面の一部分が多層膜１１に覆われずに露出しており、その露出部分の上には、ｎ側電極２１が設けられている。ｐ型窒化物半導体層１８の上には、透明電極２３を介してｐ側電極２５が設けられている。窒化物半導体発光素子１のほぼ上面全体には、ｐ側電極２５およびｎ側電極２１が露出するように、透明保護膜２７が設けられている。

＜基板＞
基板３は、たとえば、サファイアのような絶縁性基板であっても良いし、ＧａＮ、ＳｉＣ、またはＺｎＯなどのような導電性基板であっても良い。基板３の厚さは１２０μｍとしたが、特に限定されず、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下であれば良い。基板３の上面は、平坦であっても良いし、図１に示すように凸部３Ａおよび凹部３Ｂからなる凹凸形状を有していても良い。凸部３Ａの間隔は、典型的には２μｍ以上５μｍ以下であるが、１μｍ以上１０μｍ以下であっても良い。

＜バッファ層＞
バッファ層５は、たとえばＡｌ_ｓ０Ｇａ_ｔ０Ｎ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌＮ層またはＧａＮ層である。ただし、Ｎのごく一部（０．５〜２％）を酸素に置き換えても良い。これにより、基板３の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層５が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層５が得られる。

バッファ層５の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば良く、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法によって形成してもよく、スパッタ法によって形成してもよい。

＜下地層＞
下地層７は、たとえばＡｌ_ｓ１Ｇａ_ｔ１Ｉｎ_ｕ１Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であれば良く、好ましくはＡｌ_ｓ１Ｇａ_ｔ１Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、ｓ１＋ｔ１≠０）層であり、より好ましくはＧａＮ層である。これにより、バッファ層５中に存在する結晶欠陥（たとえば転位など）がバッファ層５と下地層７との界面付近でループされ易くなり、よって、その結晶欠陥がバッファ層５から下地層７へ引き継がれることを防止できる。

下地層７は、ｎ型不純物を含んでいても良い。しかし、下地層７がｎ型不純物を含んでいなければ、下地層７の良好な結晶性を維持することができる。よって、下地層７はｎ型不純物を含んでいないことが好ましい。

下地層７の厚みを厚くすることにより下地層７中の欠陥は減少するが、下地層７の厚みをある程度以上厚くしても下地層７における欠陥減少効果が飽和する。このことより、下地層７の厚さは、特に限定されないが、１μｍ以上８μｍ以下であれば良い。

＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層９及び１０は、たとえばＡｌ_ｓ２Ｇａ_ｔ２Ｉｎ_ｕ２Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≒１）層にｎ型不純物がドーピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌ_ｓ２Ｇａ_１−ｓ２Ｎ（０≦ｓ２≦１、好ましくは０≦ｓ２≦０．５、より好ましくは０≦ｓ２≦０．１）層にｎ型不純物がドーピングされた層である。

ｎ型ドーパントは、特に限定されないが、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであれば良く、好ましくはＳｉである。このことは、後述の各層においても言える。

ｎ型窒化物半導体層９及び１０におけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であれば良い。

ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みが厚い方が、その抵抗が減少する。そのため、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みは厚い方が好ましい。しかし、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みを厚くすると、コストアップになる。そのため、実用的には、ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚みは薄い方が好ましい。ｎ型窒化物半導体層９及び１０の厚さは、特に限定されないが、実用上１μｍ以上１０μｍ以下であれば良い。

なお、ｎ型窒化物半導体層９及び１０は、後述する実施例１においては同じｎ型ＧａＮ層を一旦中断して２つの成長工程によって形成したものであるが、ｎ型窒化物半導体層９とｎ型窒化物半導体層１０とを連続して単層としても良いし、３層以上の積層構造を有していても良い。各層は、同一の組成からなっても良いし、異なる組成からなっても良い。また、各層は、同一の膜厚を有していても良いし、異なる膜厚を有していても良い。

＜多層膜＞
本明細書における多層膜とは、薄い結晶層を交互に積層した層を意味する。図３に示すように、多層膜１１では、例えば厚さ１０ｎｍ以上のワイドバンドギャップ層１１Ｂと厚さ１０ｎｍ以上のナローバンドギャップ層１１Ｗとが交互に積層されている。ここでワイドバンドギャップ層１１Ｂとナローバンドギャップ層１１Ｗは交互に積層されるが、その始まりの層、および終わりの層として１１Ｗと１１Ｂのどちらが構成されていてもよい。なお、多層膜１１の各層厚が薄い場合、例えば１０ｎｍ以下の場合には超格子層と呼ばれることもあり、多層膜はそのような超格子層であってもよい。また、多層膜を省略あるいは単一組成の膜などに置き換えてもよい。

各ワイドバンドギャップ層１１Ｂは、たとえばＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{（１−ａ−ｂ）}Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。

各ナローバンドギャップ層１１Ｗの組成は、たとえばワイドバンドギャップ層１１Ｂよりもバンドギャップが小さく、且つ下記第２井戸層１３Ｗおよび第１井戸層１５Ｗの各バンドギャップより大きいＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{（１−ａ−ｂ）}Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＧａ_ｂＩｎ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）である。

各ワイドバンドギャップ層１１Ｂ及び各ナローバンドギャップ層１１Ｗの少なくとも一方は、ｎ型ドーパントを含んでいることが好ましい。ワイドバンドギャップ層１１Ｂとナローバンドギャップ層１１Ｗとの両方がアンドープであると、駆動電圧が上昇するためである。

なお、ワイドバンドギャップ層１１Ｂおよびナローバンドギャップ層１１Ｗの各層数は、図３では５としたが、例えば１から５０であればよい（ナローバンドギャップ層１１Ｗが１層の場合は、ワイドバンドギャップ層１１Ｂの数はゼロになる）。

多層膜１１の各層厚が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下で構成された場合、ｎ型窒化物半導体層９及び１０に存在する貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの結晶欠陥を効果的に低減し、第２発光層１３及び第１発光層１５における結晶欠陥を減少させることができて好ましい。特に第１発光層の発光波長が４６０ｎｍを超える場合には、波長が長くなるほど貫通転位密度による発光効率の低下が顕著となるため、各層厚が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下で構成される多層膜構造を用いることが好ましい。

＜第２発光層＞
第２発光層１３は、図３に示すように、第２井戸層１３Ｗと第２バリア層１３Ｂとが交互に位置するように構成された積層膜である。積層方向において隣り合う第２井戸層１３Ｗの間には、第２バリア層１３Ｂが配置される。第２発光層１３は、複数の第２井戸層１３Ｗと互いに隣り合う該第２井戸層１３Ｗの間に挟まれた第２バリア層１３Ｂとを含む積層膜を備える。

第２発光層１３は、多層膜１１の上に設けられている。具体的には、第２発光層１３のうち最も下層に位置する最初の第２バリア層１３ＢＦが多層膜１１上に設けられている。第２発光層１３のうち最も上層に位置する最後の第２バリア層１３ＢＬは、第１発光層の第１井戸層１５Ｗにも接している。最後の第２バリア層１３ＢＬは、第２発光層１３と第１発光層１５の間のバリア層ともいえる。なお、上最初の第２バリア層１３ＢＦおよび最後の第２バリア層１３ＢＬは、第２発光層１３に含まれる複数の第２バリア層１３Ｂの一部である。

第２バリア層１３Ｂのバンドギャップは、第２井戸層１３Ｗのバンドギャップより大きい。なお、第２発光層１３は、多層膜１１と同じく、第２バリア層１３Ｂおよび第２井戸層１３Ｗとは異なる１層以上の半導体層と、第２バリア層１３Ｂと、第２井戸層１３Ｗと、が順に積層されていても良い。また、第２発光層１３の一周期の長さ（第２バリア層１３Ｂと第２井戸層１３Ｗの合計の厚さ）は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

各第２井戸層１３Ｗの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されるが、たとえばＡｌａＧａｂＩｎ_{（１−ａ−ｂ）}Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０＜ｃ≦１）層である。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。

各第２バリア層１３Ｂ（最後の第２バリア層１３ＢＬを含む）は、たとえばＡｌａＧａｂＩｎ_{（１−ａ−ｂ）}Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）層であれば良く、好ましくはＧａＮ層である。ただし、第２バリア層１３Ｂは第２井戸層１３Ｗよりバンドギャップを大きくする必要があるため、適宜Ｉｎ、Ａｌあるいはその両方を導入してバンドギャップを調整する。

第２発光層１３はアンドープであってもよいが、ｎ型ドーピングを行っても良い。ｎ型ドーピングを行うと第２発光層１３からの発光が減少するが、本願では主として第１発光層１５を発光させることを目的としているため、大きな不都合はない。第２発光層１３の平均ｎ型ドーピング濃度は、後述の第１発光層１５の平均ｎ型ドーピング濃度よりも高いことが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子１を大電流で駆動しても、その駆動電圧の上昇が抑えられるため、電力効率の低下を防止できる。

駆動電圧の上昇を抑えるという観点からは、各第２井戸層１３Ｗと、最後の第２バリア層１３ＢＬを除く各第２バリア層１３Ｂおよび最後の第２バリア層１３ＢＬの少なくとも一方のバリア層とは、ｎ型ドーパントを含むことが好ましい。また、各第２バリア層１３Ｂのｎ型ドーピング濃度が各第２井戸層１３Ｗのｎ型ドーピング濃度より高いことがより好ましい。

各第２井戸層１３Ｗ及び各第２バリア層１３Ｂにおけるｎ型ドーピング濃度は、特に限定されないが、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であれば良く、好ましくは３×１０^１７ｃｍ^−３以上８×１０^１８ｃｍ^−３以下である。第２発光層１３の平均キャリア濃度（ドーパントがＳｉの場合ほぼｎ型ドーピング濃度に等しい）が１×１０^１７ｃｍ^−３未満であれば、窒化物半導体発光素子１の駆動電圧が上昇する傾向にある。

各第２井戸層１３Ｗの厚さは、特に限定されないが、１．５ｎｍ以上５．５ｎｍ以下であることが好ましい。各第２井戸層１３Ｗの厚さがこの範囲外であると、発光効率が低下する場合がある。

各第２バリア層１３Ｂ（最後の第２バリア層１３ＢＬを含む）の厚さは、特に限定されないが、３ｎｍ以上であることが好ましく、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下であればさらに好ましい。各第２バリア層１３Ｂ（最後の第２バリア層１３ＢＬを含む）の厚さは一定である必要はない。

一般に、窒化物半導体発光素子では、発光層を構成する井戸層とｎ型窒化物半導体層とで格子定数などが異なることに起因して歪みが発生するが、第２発光層１３はこの歪みに起因する結晶の欠陥を低減する働きがある。

＜第１発光層＞
第１発光層１５は、図３に示すように、第１井戸層１５Ｗと第１バリア層１５Ｂとが交互に位置するように構成された積層膜である。積層方向において隣り合う第１井戸層１５Ｗの間には、第１バリア層１５Ｂが配置される。第１発光層１５は、複数の第１井戸層１５Ｗと隣り合う該第１井戸層１５Ｗの間に挟まれた第１バリア層１５Ｂを含む積層膜を備える。

第１発光層１５は、第２発光層１３の上に設けられている。具体的には、第１発光層１５のうち最も下層に位置する第１井戸層１５Ｗが第２発光層１３上に設けられている。第１発光層１５のうち最もｐ型窒化物半導体層１６側に位置する第１井戸層１５Ｗの上には、最後の第１バリア層１５ＢＬが設けられている。

第１井戸層１５Ｗのバンドギャップより、第１バリア層１５Ｂおよび最後の第１バリア層１５ＢＬのバンドギャップの方が大きい。なお、第１発光層１５は、第１バリア層１５Ｂおよび第１井戸層１５Ｗとは異なる１層以上の半導体層と、第１バリア層１５Ｂと、第１井戸層１５Ｗと、が順に積層されていても良い。また、第１発光層１５の一周期（第１バリア層１５Ｂの厚さと第１井戸層１５Ｗの厚さの和）の長さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

本発明は、第１発光層１５の発光波長が第２発光層１３の発光波長より若干長いことを特徴としている（第２発光層からの発光が弱くて第２発光層の発光波長の誤差が大きいなどの場合には、第１発光層１５の発光波長は、後述する第２発光層の設計発光波長よりも若干長い）。

第１発光層１５の発光波長は第２発光層１３の発光波長より波長換算で＋８０ｎｍ以下であることが好ましく、＋６０ｎｍ以下であることがより好ましく、＋４０ｎｍ以下であることが更に好ましい。また第１発光層１５の発光波長は第２発光層１３の発光波長より＋５ｎｍ以上であることが好ましく、＋１０ｎｍ以上であることがより好ましく、＋１５ｎｍ以上であることが更に好ましい。好ましい範囲の理由のひとつとしては、後述する比較例１の結果を踏まえた考察において言及している。

発光層の発光波長は多重井戸層の量子準位によって定まるが、これは井戸層のバンドギャップより若干大きい。しかし、第１井戸層１５Ｗの発光波長と第２井戸層１３Ｗの発光波長の差は、ほぼ第１井戸層１５Ｗのバンドギャップと第２井戸層１３Ｗのバンドギャップの差と考えることができる。

ここで、バンドギャップ（ｅＶ）＝波長（ｎｍ）／１２４０の関係がある。実際の発光波長は電流依存性等があるが、設計発光波長は近似的に井戸層の組成によって決まるバンドギャップの値によってほぼ決まり、厳密には井戸層の厚さから計算によって求められる量子効果を合わせた値と考えてよい。

各第１バリア層１５Ｂの厚さは、特に限定されないが、２．５ｎｍ以上であることが好ましく、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であればさらに好ましい。各第１バリア層１５Ｂの厚さは一定である必要はなく、特に図３に示す最後の第１バリア層１５ＢＬの厚さは各第１バリア層１５Ｂの厚さと異なっていてもよい。最後の第１バリア層１５ＢＬの厚さは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましい。

各第１井戸層１５Ｗの厚さは、１ｎｍ以上９ｎｍ以下であることが好ましい。各第１井戸層１５Ｗの厚さがこの範囲外であれば、発光効率が低下する傾向にある。さらに好ましくは、第１井戸層１５Ｗの厚さは、発光波長によって変化させることで発光効率を改善できる。

具体的には、電流注入時における第１発光層１５のＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光波長が４５０ｎｍの場合には、第１井戸層１５Ｗの厚さは、２．５ｎｍ以上７．３ｎｍ以下であることが好ましい。電流注入時における第１発光層１５のＥＬ発光波長が４７０ｎｍの時は、第１井戸層１５Ｗの厚さは、２．０ｎｍ以上６．２ｎｍ以下であることが好ましい。電流注入時における第１発光層１５のＥＬ発光波長が５２０ｎｍの時は、第１井戸層１５Ｗの厚さは、１．２ｎｍ以上４．３ｎｍ以下であることが好ましい。

図４は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層における第１発光層のＥＬ発光波長と好ましい第１井戸層の厚さとの関係を示す図である。縦軸を第１井戸層１５Ｗの膜厚とし、横軸をＥＬ発光波長としている。

第１井戸層１５Ｗの膜厚をＴとし、第１発光層１５のＥＬ発光波長をＸとした場合には、上述のように、第１発光層１５の各ＥＬ発光波長における第１井戸層１５Ｗの上限値を結んだ曲線は、Ｔ＝０．０００２Ｘ^２−０．２７８４Ｘ＋８３．４１４の式にて近似される。一方、第１発光層１５の各ＥＬ発光波長における第１井戸層１５Ｗの下限値を結んだ曲線は、Ｔ＝０．０００１Ｘ^２−０．１４３３Ｘ＋４０．９４３の式にて近似される。

つまり、第１発光層１５のＥＬ発光波長が４３０ｎｍから５５０ｎｍの範囲において、第１発光層１５の第１井戸層１５Ｗの厚みＴとＥＬ発光波長Ｘとの関係が下記式（１）を充足する場合に、良好な発光効率が得られる。
０．０００１Ｘ^２−０．１４３３Ｘ＋４０．９４３≦Ｔ≦０．０００２Ｘ^２−０．２７８４Ｘ＋８３．４１４・・・式（１）。

これはＥＬ発光波長が長くなるに従い、Ｉｎの組成が高くなるが、このＩｎ組成の上昇に応じて井戸層の結晶性が悪化すると考えられており、したがってＥＬ発光波長が長くなるに従い井戸層の最適値は薄いほうにずれる。

一方、ＥＬ発光波長が短くなるほど結晶性は改善するため、井戸層厚を厚くし、全井戸層厚である発光体積を増やすほうに最適値がずれる。各第１井戸層１５Ｗの厚さは、各第２井戸層１３Ｗの厚さと同じであってもよい。さらに、第１発光層１５および第２発光層１３の各井戸層（第１井戸層、第２井戸層）の膜厚を同じにするとともに、各バリア層（第１バリア層、第２バリア層）の膜厚も同じにすることで（ここでウェルとバリアの膜厚は異なっていてもよい）、例えばＸ線検査等により膜厚を容易に測定することができ、生産管理が容易となる。

各第１井戸層１５Ｗの組成は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整されるが、たとえばＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{（１−ａ−ｂ）}Ｎ（０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１）であれば良く、好ましくはＡｌを含まないＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０＜ｃ≦１）層である。ただし例えば３７５ｎｍ以下の紫外発光を行なう場合には、一般にはバンドギャップを広くするため適宜Ａｌを含ませることとなる。

また、各第１井戸層１５Ｗはドーパントを極力含まない（成長時にドーパント原料を導入しない）ことが好ましい。具体的には５×１０^１７ｃｍ^−３以下、さらに好ましくは１×１０^１７ｃｍ^−３以下とするとよい。各第１井戸層１５Ｗがｎ型ドーパントを含んでいなければ、各第１井戸層１５Ｗにおける非発光再結合が起こりにくく、発光効率が良好となる。なお、各第１井戸層１５Ｗは、ｎ型ドーパントを含んでいても良く、それにより発光素子の駆動電圧が低下する傾向にある。

また、第１発光層１５の各第１バリア層１５Ｂ（第１バリア層１５ＢＬを除く）は、ドーパントを極力含まないことが好ましい。具体的には５×１０^１７ｃｍ^−３以下、さらに好ましくは１×１０^１７ｃｍ^−３以下とするとよい。

ドーパントを含んでいなければ、バリア層における非発光再結合が起こりにくく、かつホールキャリアの活性層中への広がりが増えて発光効率が良好となる。また第１発光層１５、および第２発光層１３のすべてにおいて、ドーパントを極力含まない、具体的には７×１０^１７ｃｍ^−３以下、さらに好ましくは１×１０^１７ｃｍ^−３のドーパント濃度となる構造とすると、発光層全体の歪を緩和でき、発光効率を改善できるため好ましい。

＜ｐ型窒化物半導体層＞
図１に示した構成では、ｐ型窒化物半導体層をｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７、および高濃度ｐ型ＧａＮ層１８の３層構造としているが、この構成は一例であって、一般にｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８は、たとえばＡｌ_ｓ４Ｇａ_ｔ４Ｉｎ_ｕ４Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層にｐ型ドーパントがドーピングされた層であれば良く、好ましくはＡｌ_ｓ４Ｇａ_１−Ｓ４Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型ドーパントをドーピングした層である。

ｐ型ドーパントは、特に限定されないが、たとえばマグネシウムである。
ｐ型窒化物半導体層１７，１８におけるキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。ここで、ｐ型ドーパントの活性率は０．０１程度であることから、ｐ型窒化物半導体層１７，１８におけるｐ型ドーピング濃度（キャリア濃度とは異なる）は１×１０^１９ｃｍ^−３以上であることが好ましい。ただし第１発光層１５に近いｐ型窒化物半導体層１６におけるｐ型ドーピング濃度はこれより低くてもよい。

ｐ型窒化物半導体層１６，１７，１８の合計の厚さは、特に限定されないが、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であれば良い。

＜ｎ側電極、透明電極、ｐ側電極＞
ｎ側電極２１およびｐ側電極２５は、窒化物半導体発光素子１に駆動電力を供給するための電極である。平面図である図２を参照して、ｎ側電極２１は、ｎ側パッド電極２１Ａおよびｎ側枝電極２１Ｂよりなる。ｐ側電極２５は、ｐ側パッド電極２５Ａおよびｐ側枝電極２５Ｂよりなる。

ｎ側枝電極２１Ｂ及びｐ側枝電極２５Ｂは、電流拡散を促進するためのものだが、チップサイズが小さいなど電流拡散の必要性が少ない場合には、省略してもよい。また、ｐ側電極２５の下部において電流の注入を止めるための絶縁層を設けても良く、それによりｐ側電極２５に遮蔽される発光の量が減少する。

ｎ側電極２１は、たとえば、チタン層、アルミニウム層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると１μｍ程度の厚さを有していれば良い。

ｐ側電極２５は、たとえばニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていれば良く、１μｍ程度の厚さを有していれば良い。ｎ側電極２１とｐ側電極２５は同一の組成であってもよい。

透明電極２３は、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜からなれば良く、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有していれば良い。

ここで、キャリア濃度は、電子または正孔の濃度を意味し、ｎ型ドーパントの量またはｐ型ドーパントの量だけで決まらない。つまり、第２発光層１３のキャリア濃度は第２発光層１３にドープされたｎ型ドーパントの量だけで決まらず、第１発光層１５のキャリア濃度は第１発光層１５にドープされたｎ型ドーパントの量だけで決まらない。

このようなキャリア濃度は、窒化物半導体発光素子１の電圧対容量特性の結果に基づいて算出されるものであり、電流が注入されていない状態のキャリア濃度のことを指しており、イオン化した不純物、ドナー化した結晶欠陥、またはアクセプター化した結晶欠陥から発生したキャリアの合計である。

しかしながら、ｎ型キャリア濃度は、ｎ型ドーパントであるＳｉ等の活性化率が高いことから、ｎ型ドーピング濃度と同じと考えることができる。また、ｎ型ドーピング濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）にて深さ方向の濃度分布を測定することにより、容易に求まる。

さらに、ドーピング濃度の相対関係（比率）は、キャリア濃度の相対関係（比率）とほぼ同じである。ドーピング濃度は、容易に測定することができる。そして、測定により得られたｎ型ドーピング濃度を平均すれば、平均ｎ型ドーピング濃度を得ることができる。

以下の実施例において、各層のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成長における原料ガスとしては、Ｇａの原料ガスはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎの原料ガスはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｌの原料ガスはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｎの原料ガスはＮＨ３、ｎ型ドーパントの原料ガスはＳｉＨ４、ｐ型ドーパントの原料ガスはＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。

以下では、本発明の具体的な実施例を示す。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。図５は、電流値を１２０ｍＡとし、環境温度を２５℃とした場合における実施例１−３に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。図６は、電流値を１２０ｍＡとし、環境温度を８０℃とした場合における実施例１−３に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。図７は、実施例１に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルの電流依存性を示すグラフである。

＜実施例１＞
まず、凹凸加工が上面に施された１５０ｍｍ径のサファイア基板３からなるウエハを準備し、その上面上に、ＡｌＮからなるバッファ層５をスパッタ法により形成した。

次に、ウエハをＭＯＣＶＤ装置に入れ、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮからなる下地層７、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層９を結晶成長させた。このとき、下地層７の厚さは４．５μｍ、ｎ型窒化物半導体層９の厚さは４．５μｍであり、ｎ型窒化物半導体層９におけるｎ型ドーピング濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３であった。

引き続き、多層膜１１を結晶成長させた。多層膜１１は、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ１２ｎｍのワイドバンドギャップ層１１ＢとＳｉドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなる厚さ１２ｎｍのナローバンドギャップ層１１Ｗとを交互に４周期、結晶成長させたものである。ここで、ワイドバンドギャップ層１１Ｂとナローバンドギャップ層１１Ｗのｎ型ドーピング濃度は７．４×１０^１８ｃｍ^−３とした。

次に、ウエハの温度を下げて第２発光層１３を結晶成長させた。具体的には、アンドープＧａＮからなる第２バリア層１３ＢとアンドープＩｎＧａＮからなる第２井戸層１３Ｗとを交互に４層づつ、結晶成長させた。この際、４層目の第２井戸層１３Ｗの上に、最後の第２バリア層１３ＢＬを成長させた。

第２バリア層１３ＢはアンドープＧａＮ層であり、各第２バリア層１３Ｂの厚さを４．０ｎｍとした。

第２井戸層１３Ｗは、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（ｘ＝０．２０）を結晶成長させた。第２井戸層１３Ｗの厚さは３．０８ｎｍであった。また、Ｉｎの組成ｘは、第２井戸層１３Ｗがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４３ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して設定した。

次に、第１発光層１５を結晶成長させた。具体的には、アンドープＩｎＧａＮからなる第１井戸層１５ＷとアンドープＧａＮからなる第１バリア層１５Ｂとを交互に４層づつ、結晶成長させた。この際、最上層の第１井戸層１５Ｗの上に、アンドープのＧａＮ層からなる最後の第１バリア層１５ＢＬを成長した。

第１バリア層１５Ｂは、厚さを４．０ｎｍとした。
第１井戸層１５Ｗは、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（ｘ＝０．２５）を結晶成長させた。各第１井戸層１５Ｗの厚さを３．０８ｎｍとし、各第２井戸層１３Ｗの厚さと設計上同じ厚さとした。また、Ｉｎの組成ｘは、２５℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の第１井戸層１５Ｗの発光波長が４７０ｎｍとなるようにＴＭＩの流量を調整して設定した。

次に、ウエハの温度を上げて、最後の第１バリア層１５ＢＬの上面上に、ｐ型Ａｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型コンタクト層１８を結晶成長させた。

そして、ｎ型窒化物半導体層９の一部分が露出するように、ｐ型コンタクト層１８、ｐ型ＧａＮ層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、第１発光層１５、第２発光層１３、多層膜１１、ｎ型窒化物半導体層１０の一部をエッチングした。このエッチングにより露出したｎ型窒化物半導体層１０の上面上にＡｕからなるｎ側電極２１を形成した。また、ｐ型コンタクト層１８の上面上に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極２３とＡｕからなるｐ側電極２５とを順に形成した。また、主として透明電極２３及び上記エッチングによって露出した各層の側面を覆うように、ＳｉＯ_２からなる透明保護膜２７を形成した。

ウエハを６２０×６８０μｍサイズのチップに分割して、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１が得られた。

実施例１に係る窒化物半導体発光素子１について、発光強度及びスペクトルを測定した。標準駆動電流値１２０ｍＡ、環境温度２５℃における光出力は１２２ｍＷであった。なお、駆動電流値は最大定格値を超えない範囲であれば任意の値とすることができる。また、仕様書において推奨される動作電流値があり、これを駆動電流値とすることもできる。駆動電流値は、一般的に、上記６２０×６８０μｍサイズのチップであれば、２０ｍＡから７００ｍＡの範囲で設定される。なお、駆動電流値はチップサイズに比例して変化し、チップサイズが上記サイズから半分になれば、駆動電流値も半分の１０ｍＡから３５０ｍＡに変化する。

図５に示すように、２５℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の実施例１に係る窒化物半導体発光素子１の発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４７１ｎｍであり、半値幅は、２７ｎｍであった。また、発光スペクトルの対称性を、図５におけるスペクトル強度の最大値の８０％の線Ｈを波長ピークの値で分割したときの短波長側の長さＷａと長波長側の長さＷｂとの比で定義すると、Ｗｂ／Ｗａ＝８６％であった。

すなわち、ピーク波長をλｐとし、当該ピーク波長よりも短波長側に位置し、ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ１とし、ピーク波長よりも長波長側に位置し、ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ２とした場合に、（λ２−λｐ）／（λｐ−λ１）の値が０．８６であった。

上記発光スペクトルにおける発光ピーク波長は、第１発光層１５だけの設計発光ピーク波長（４７０ｎｍ）とほぼ一致する。

図６に示すように、８０℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の実施例１に係る窒化物半導体発光素子１の発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４７３ｎｍであり、半値幅が３０ｎｍであった。

図７に示すように、互いに異なる電流値が印加された際に得られる発光スペクトルを比較すると、発光ピーク波長は、電流値が５ｍＡの場合に４７６ｎｍであり、電流値が１２ｍＡの場合に４７５ｎｍであり、電流値が２０ｍＡの場合に、４７４ｎｍであり、電流値が１００ｍＡの場合に４７１ｎｍであり、電流値が１２０ｍＡの場合に、４７１ｎｍである。電流値を５ｍＡから１２０ｍＡまで変更させた場合の波長変化は５ｎｍ以内に収まっている。

ここで、変形例１における構成・結果と、特許文献５記載のＡ形態（以下「従来例」と記す。）の構成・結果を比較する。従来例は、上部発光層が長波長発光層、下部発光層が短波長発光層という点で、実施例１の構成と共通する。

しかし、従来例の発光スペクトル図（特許文献５の図３（ａ）を参照すると、電流値が５ｍＡの場合には、上部発光層である緑色（ピーク波長約５４０ｎｍ）の発光を示すのに対し、電流値が１００ｍＡの場合には、青緑色（ピーク波長約５１０ｎｍ）の発光となっており、上部発光層からの発光が支配的ではなくなっている。そのためピーク波長の電流値依存性が非常に大きく、その波長差は３０ｎｍにも達する。また、電流値１００ｍＡにおける半値幅は約４５ｎｍと広がっている。

一方、実施例１においては標準駆動電流においても長波長である第１発光層１５の発光が支配的であり、電流値に対する波長変化はわずか５ｎｍにすぎない。その結果、従来例が「短波長と合わせて長波長も発光させるという観点で好ましくない形態」であったのに対し、本願実施例１が「短波長側の発光を抑制しつつ、長波長を発光させるという観点で好ましい形態」であるという大きな差異が生じている。

このように、電流値に対する変化を小さくすることによっても、第２発光層１３からの短波長側の発光を抑制し、第１発光層１５からの長波側の発光を支配的にすることが可能となる。これにより、駆動流値における発光スペクトルの半値幅が４０ｎｍ以下に減少させることができ、指向性を向上させることができる。

＜実施例２＞
実施例１の構成に対し、第２発光層１３および第１発光層１５の井戸層数だけを変更した。つまり、第２バリア層１３ＢとアンドープＩｎＧａＮからなる第２井戸層１３Ｗとを交互に２層づつ、アンドープＧａＮからなる第１バリア層１５ＢとアンドープＩｎＧａＮからなる第１井戸層１５Ｗとを交互に６層づつ形成した。

その結果得られた実施例２に係る窒化物半導体発光素子１Ａについて、発光強度及びスペクトルを測定した。駆動電流値１２０ｍＡ，２５℃における光出力は１１２ｍＷであった。

図５に示すように、２５℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の実施例２に係る窒化物半導体発光素子１Ａの発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４７１ｎｍであり、半値幅は、３１ｎｍであった。

また、発光スペクトルの対称性は８７％であった。すなわち、実施例２における発光スペクトルにおいて、ピーク波長をλｐとし、当該ピーク波長よりも短波長側に位置し、ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ１とし、ピーク波長よりも長波長側に位置し、ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ２とした場合に、（λ２−λｐ）／（λｐ−λ１）の値が０．８７であった。

この場合においても、発光ピーク波長は、第１発光層１５だけの設計発光ピーク波長（４７０ｎｍ）とほぼ一致する。

図６に示すように、８０℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の実施例２に係る窒化物半導体発光素子１Ａの発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４７２ｎｍであり、半値幅が３３ｎｍであった。

また、互いに異なる電流値が印加された際に得られる発光スペクトルを比較すると、発光ピーク波長は、電流値が１２ｍＡの場合に４７５ｎｍであり、電流値が１２０ｍＡの場合に上述のように４７２ｎｍであった。電流値を１２ｍＡから１２０ｍＡまで変更させた場合の波長変化は３ｎｍ以内に収まっている。

＜実施例３＞
実施例１の構成に対し、第２発光層及び第１発光層の井戸層数だけを変更した。つまり、第２バリア層１３ＢとアンドープＩｎＧａＮからなる第２井戸層１３Ｗとを交互に６層づつ、アンドープＧａＮからなる第１バリア層１５ＢとアンドープＩｎＧａＮからなる第１井戸層１５Ｗとを交互に２層づつ形成した。

その結果得られた実施例３に係る窒化物半導体発光素子１Ｂについて、発光強度及びスペクトルを測定した。駆動電流値１２０ｍＡ，２５℃における光出力は１３０ｍＷであった。

図５に示すように、２５℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の実施例３に係る窒化物半導体発光素子１Ｂの発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４６０ｎｍであり、半値幅は、３２ｎｍであった。

また、発光スペクトルの対称性は５０％であった。すなわち、実施例２における発光スペクトルにおいて、ピーク波長をλｐとし、当該ピーク波長よりも短波長側に位置し、ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ１とし、ピーク波長よりも長波長側に位置し、ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ２とした場合に、（λ２−λｐ）／（λｐ−λ１）の値が０．５０であった。

この場合、発光ピーク波長は第１発光層１５だけの設計発光ピーク波長（４７０ｎｍ）より１０ｎｍ短波長である。すなわち、駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と第１発光層１５の発光波長との差が１０ｎｍ以下に収まっている。

なお、スペクトル形状も対称ではなくなっていることより、第２発光層１３からの発光の影響も若干受けていると考えられるが、第２発光層の発光波長と、第１発光層１５の発光波長と、上記ピーク波長とを考慮すると、第２発光層１３からの発光は抑制されていると言える。

図６に示すように、８０℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の実施例３に係る窒化物半導体発光素子１Ｂの発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４６１ｎｍであり、半値幅が３７ｎｍであった。

また、互いに異なる電流値が印加された際に得られる発光スペクトルを比較すると、発光ピーク波長は、電流値が１２ｍＡの場合に４６７ｎｍであり、電流値が１２０ｍＡの場合に上述のように４６０ｎｍであった。電流値を１２ｍＡから１２０ｍＡまで変更させた場合の波長変化は７ｎｍ以内に収まっている。

なお、本実施例では、波長スペクトル形状が対称ではないため、特に蛍光体を用いた照明器具の用途においては、発光スペクトルの制御がやや困難となるが、適用することは十分に可能である。

＜比較例１＞
実施例１の構成に対し、第２発光層がなく第１発光層だけからなる構造を作成した。つまり、アンドープＧａＮからなる第１バリア層１５ＢとアンドープＩｎＧａＮからなる第１井戸層１５Ｗとを交互に８層づつ形成した。

その結果得られた比較例１に係る窒化物半導体発光素子１Ｘについて、発光強度及びスペクトルを測定した。駆動電流値１２０ｍＡ，２５℃における発光強度は５４ｍＷであった。

２５℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の比較例１に係る窒化物半導体発光素子１Ｘの発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４６９ｎｍであり、半値幅は、２８ｎｍであった。

８０℃の環境温度にて、駆動電流値１２０ｍＡを印加した際の比較例１に係る窒化物半導体発光素子１Ｘの発光スペクトルにおいては、ピーク波長が４７０ｎｍであり、半値幅が３０ｎｍであった。

比較例１においては、光出力が、第２発光層を備える実施例１−３の約半分であり、劣っているという結果になった。これは意外な結果であったので、実験ミスでないことを確認した。従来の考え方では、ｎ型窒化物半導体層においてＩｎＧａＮ層を含む多層膜１１（超格子層でもよい）を設けることにより、結晶品質が改善され、良好な発光効率が得られるものと考えられている。現に、第２発光層を設けず、第１発光層のみを設け、第１発光層の発光波長を４５０ｎｍとする構成（従来の構成）のＬＥＤが製造されている。

そのため、従来の構成に対して第１発光層の発光波長を２０ｎｍだけ長波長にした発光波長４７０ｎｍのＬＥＤにおいて、従来の構成のＬＥＤと異なり、光出力が低下するとは予想できなかった。

この原因については明らかではないが、一つの考え方として、多層膜１１を構成するナローバンドギャップ層１１Ｗのバンドギャップと第１発光層１５を構成する第１井戸層１５Ｗのバンドギャップ差が大きいのに対し、第２発光層１３の第２井戸層１３Ｗと第１発光層１５を構成する第１井戸層１５Ｗのバンドギャップ差が小さいことが寄与している可能性がある。そのような考察より、先述の第２発光層１３の発光波長と第１発光層１５の発光波長との間の好ましい関係が得られる。

以上のように、比較例１と実施例１−３との結果を考察することにより、駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と第１発光層の発光波長との差が１０ｎｍ以下であることが好ましいと言える。あるいは駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と駆動電流値の１／１０の電流値における発光スペクトルのピーク波長との差が１０ｎｍ以下であることが好ましいと言える。このような構成とすることにより、第１発光層よりも短い発光波長を有する第２発光層を設けることで、第２発光層から発光を抑制しつつ、第１発光層からの発光が支配的となることが実験的にも確認されたと言える。

また、発光スペクトル形状がおおよそ対称であることが好ましく、具体的には対称性の指標となるＷｂ／Ｗａが４５％以上１５５％以下であることが好ましく、７５％以上１２５％以下であることがより好ましいと言える。すなわち、上記（λ２−λｐ）／（λｐ−λ１）の値が０．４５以上１．５５以下となることが好ましいと言える。なお、この範囲は、上述の実施例においては、（λ２−λｐ）が（λｐ−λ１）よりも小さくなる場合を例示して説明したが、この逆の関係にあってもよく、（λ２−λｐ）が（λｐ−λ１）よりも大きくなる場合を考慮したものである。

また、第１井戸層数としては２以上７以下が好ましく、３以上６以下がより好ましいと言える。

＜実施例４＞
第２発光層１３からの波長４５０ｎｍの発光を抑えるため、実施例３をベースに、最後の第２バリア層１３ＢＬ（第１発光層１５の第１井戸層１５Ｗに接する第２バリア層１３Ｂ）の厚さを他の第２バリア層１３Ｂの２倍の厚さである８．０ｎｍとした。

得られた実施例４に係る窒化物半導体発光素子１Ｃの光出力自体は、実施例３と同等だが、第１発光層１５からの長波長の成分が増え、発光スペクトルの半値幅が減少した。波長４７０ｎｍ近傍では波長が長くなると視感度が高くなるため、４７０ｎｍ近傍の波長を有する光の割合が増加する実施例４に係る窒化物半導体発光素子１Ｃにおいては、視感度を考慮した全光束（単位ｌｍ）の向上が見られた。

このように、第１発光層１５および第２発光層１３が、第１井戸層１５Ｗと第２バリア層１３Ｂとが積層方向に隣接するように設けられる場合には、第１井戸層１５Ｗに隣接する第２バリア層１３Ｂは、第２発光層１３に含まれる他の第２バリア層１３Ｂよりも厚いことが好ましい。

＜実施例５＞
第２発光層１３からの波長４５０ｎｍの発光を抑えるため、実施例３をベースに、最後の第２バリア層１３ＢＬにｎ型ドーパントであるＳｉを７．０×１０^１７ｃｍ^−３ドープした。

得られた実施例５に係る窒化物半導体発光素子１Ｄの光出力自体は、実施例３と同等だが、駆動電流値において第１発光層１５からの長波長の成分が増え、光スペクトル半値幅が減少した。

波長４７０ｎｍ近傍では波長が長くなると視感度が高くなるため、４７０ｎｍ近傍の波長を有する光の割合が増加する実施例５に係る窒化物半導体発光素子１Ｄにおいては、視感度を考慮した全光束（単位ｌｍ）の向上が見られた。なお、ここでは最後の第２バリア層１３ＢＬ全体にＳｉドープを行ったが、その一部のみにドーピングを行ってもよく、例えばアンドープ層・ドープ層・アンドープ層の３層構造としてその中央のみにドーピングを行ってもよい。また最後の第２バリア層ＢＬにｎ型ドーピングを行うとともに、厚さを厚くしてもよい。

＜実施例６＞
第２発光層１３からの４５０ｎｍの発光を抑えるため、実施例３をベースに、第２発光層１３の各層にｎ型ドーパントであるＳｉを７．０×１０^１７ｃｍ^−３ドープした。

得られた実施例６に係る窒化物半導体発光素子１Ｅの光出力自体は、実施例３と同等だが、駆動電流値において第１発光層１５からの長波長の成分が増え、光スペクトル半値幅が減少した。波長４７０ｎｍ近傍では波長が長くなると視感度が高くなるため、４７０ｎｍ近傍の波長を有する光の割合が増加する実施例６に係る窒化物半導体発光素子１Ｅにおいては、視感度を考慮した全光束（単位ｌｍ）の向上が見られた。

＜実施例７＞
発光波長４５０ｎｍの第２発光層を設けることにより、発光波長４７０ｎｍの第１発光層の光出力が増大するという知見に基づき、例えば４つの井戸層を備え、発光波長が４３０ｎｍの第２発光層と、例えば４つの井戸層を備え、発光波長が４５０ｎｍの第１発光層とを設けた発光素子とすることができる。また、例えば発光波長４０５ｎｍの第１発光層と、発光波長３８５ｎｍの第２発光層とを設ける、あるいは、発光波長５２０ｎｍの第１発光素子と発光波長５００ｎｍの第２発光層とを設けることができる。なお、第１発光層と第２発光層の波長差は２０ｎｍに限られるものではなく、駆動電流域において第１発光層からの発光波長が支配的となる範囲内で適宜変更することができる。第１発光層の波長も、窒化物半導体発光素子が実現可能な波長範囲、例えば２００ｎｍから６００ｎｍの範囲内において、適宜設定可能である。

以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｘ 窒化物半導体発光素子、３ 基板、３Ａ 凸部、３Ｂ 凹部、５ バッファ層、７ 下地層、９，１０ ｎ型窒化物半導体層、１１ 多層膜、１１Ｂ ワイドバンドギャップ層、１１Ｗ ナローバンドギャップ層、１３ 第２発光層、１３Ｂ 第２バリア層、１３Ｗ 第２井戸層、１５ 第１発光層、１５Ｂ 第１バリア層、１５Ｗ 第１井戸層、１６，１７，１８ ｐ型窒化物半導体層、２１ ｎ側電極、２１Ａ ｎ側パッド電極、２１Ｂ ｎ側枝電極、２３ 透明電極、２５ ｐ側電極、２５Ａ ｐ側パッド電極、２５Ｂ ｐ側枝電極、２７ 透明保護膜、３０ メサ部。

Claims (9)

1. ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第１発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備え、
   前記第２発光層は、第２井戸層と当該第２井戸層よりもバンドギャップの大きい第２バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第２井戸層を含み、
   前記第１発光層は、第１井戸層と当該第１井戸層よりもバンドギャップの大きい第１バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第１井戸層を含み、
   前記第１井戸層のバンドギャップが前記第２井戸層のバンドギャップよりも小さく、
   駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と前記第１発光層の発光波長との差が１０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
2. ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第１発光層と、ｐ型窒化物半導体層とをこの順に備え、
   前記第２発光層は、第２井戸層と当該第２井戸層よりもバンドギャップの大きい第２バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第２井戸層を含み、
   前記第１発光層は、第１井戸層と当該第１井戸層よりもバンドギャップの大きい第１バリア層とが交互に位置する積層膜、あるいは、単数の第１井戸層を含み、
   前記第１井戸層のバンドギャップが前記第２井戸層のバンドギャップよりも小さく、
   駆動電流値における発光スペクトルのピーク波長と駆動電流値の１／１０の電流値における発光スペクトルのピーク波長との差が１０ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子。
3. 前記駆動電流値における発光スペクトルにおいて、
   前記ピーク波長をλｐとし、
   前記ピーク波長よりも短波長側に位置し、前記ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ１とし、
   前記ピーク波長よりも長波長側に位置し、前記ピーク波長における発光強度の８０％の発光強度を有する波長をλ２とした場合に、
   下記式（１）を充足する、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
   ０．４５≦（λ２−λｐ）／（λｐ−λ１）≦１．５５・・・式（１）
4. 前記第２発光層は、前記第１発光層より５ｎｍ以上短波長の光を発するように、前記第２井戸層のバンドギャップが設定されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第１発光層はアンドープであり、
   前記第２発光層はｎ型ドーパントを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記第１発光層および前記第２発光層のすべてがアンドープである、請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. ｎ型窒化物半導体層は、多層膜構造を備え、
   前記多層膜構造を構成する各層の厚さが１０ｎｍ以上である、請求項１から６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記第１発光層のＥＬ発光波長が４３０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にあり、
   前記ＥＬ発光波長をＸとし、
   前記第１井戸層の厚みをＴとした場合に、下記式（２）を満たす、請求項１から７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
   ０．０００１Ｘ^２−０．１４３３Ｘ＋４０．９４３≦Ｔ≦０．０００２Ｘ^２−０．２７８４Ｘ＋８３．４１４・・・式（２）
9. 前記第１発光層は、前記第１井戸層と前記第１バリア層とが交互に位置する積層膜を含み、
   前記第１発光層の井戸層数は３以上６以下である、請求項１から８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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