JP2005183930A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光ダイオードの光取り出し効率を高めることが困難であった。
【解決手段】発光ダイオードはシリコン支持基板（１）の上にバッファ層（２）を介して配置されたｐ型窒化物半導体層（３）、活性層（４）、ｎ型窒化物半導体層（５）及び電流拡散層（６）を有する。電流分散層（６）は２次元電子ガス効果を得るためのヘテロ接合を含む複数の第１及び第２の層（９）、（１０）の積層体からなる。２次元電子ガス効果を有する電流分散層（６）の横方向の抵抗が小さいので、電流の広がりが生じ、光取り出し効率が向上する。電流分散層（６）は第１の電極（７）をオーミックコンタクトさせる領域としても機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３−５族化合物半導体を使用した半導体発光素子に関する。

化合物半導体を使用した従来の代表的な半導体発光素子は、サファイア又はシリコンカーバイト又はシリコン等の基板とバッファ層とｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とコンタクト層とを有する。別な従来の代表的な半導体発光素子は、例えば米国特許第５００８７１８号（以下、特許文献１と言う。）に示されているように基板とｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層と窓（window）と呼ばれている電流分散（spread）層とを有する。
活性層で発生した光は、コンタクト層又は電流分散層の表面から取り出される。このため、光非透過性のパッド電極又はアノード電極はコンタクト層又は電流分散層の表面の一部のみに設けられる。従って、活性層で発生した光は、コンタクト層又は電流分散層におけるパッド電極又はアノード電極が設けられていない部分から取り出される。なお、コンタクト層又は電流分散層の表面に光透過性電極が配置され、この光透過性電極の上にパッド電極が配置されることがある。

ところで、パッド電極又はアノード電極は光非透過性であるので、活性層におけるパッド電極又はアノード電極に対向している部分から放射された光は、外部に取り出されない。従って、活性層におけるパッド電極又はアノード電極に対向している部分に流れる電流は発光効率に寄与しない無効電流である。このため、活性層におけるパッド電極又はアノード電極に対向している部分に流れる電流を低減させ、活性層におけるパッド電極又はアノード電極に対向していない部分に流れる電流を増大させ且つこの電流分布の均一性を良くすることが要求されている。この要求に答えるために、前記特許文献２ではコンタクト層の表面の外周側に細条電極が配置され且つ活性層とコンタクト層との間に電流分散層が配置されている。しかし、前記特許文献２の細条電極は光透過性を有さないので、これによって光取り出し面積が３０〜４０％減少し、光の取り出し効率の低下を招いた。また従来の電流拡散層は大きな光透過率を有していないので、この電流拡散層で光吸収が生じ、光の取り出し効率の低下を招いた。
また、光透透過性電極を設けると、電流分布の均一性は改善されるが、光透透過性電極の光透過率は７０〜９０％程度であるので、光透透過性電極において光の取り出し効率が１０〜３０％低下した。
また、前記特許文献１に従って、比較的厚い電流分散層を設けると、電流分散層における光吸収によって光の取り出し効率の低下を招く。
米国特許第５００８７１８号 特開２００３−１９７９６５号公報

従って、本発明によって解決しようとする課題は、半導体発光素子の発光効率が悪いことである。
本発明の目的は発光効率の良い半導体発光素子を提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、前記第１の化合物半導体層の上に配置された化合物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に配置され且つ光透過性を有し且つ前記第１導電型と反対の第２導電型を有している第２の化合物半導体層と、前記第２の化合物半導体層上に配置され且つ第２導電型を有し且つ光透過性を有しており、且つ第１の化合物半導体から成る第１の層と前記第１の化合物半導体と異なる第２の化合物半導体から成る第２の層とが交互に複数回繰り返して配置された積層体から成る電流分散層と、前記活性層から放射された光を前記電流分散層の表面側から取り出すことを許す状態に前記電流分散層に電気的に接続された第１の電極と、前記第１の化合物半導体層に対して電気的に接続された第２の電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。

前記第１の層の前記第１の化合物半導体は、前記第１の層と前記第２の層との間のヘテロ接合に基づいて前記第１の層に２次元キャリア層（Two Dimensional Carrier Layer）即ち２次元電子ガス（Two Dimensional Electron Gas）又は２次元ホールガス（Two Dimensional Hole Gas）を生じさせることができる材料であることが望ましい。前記２次元キャリア層は前記第１の層の横方向即ち前記第１の層の主面に平行な方向の電流通路として機能する。従って２次元キャリア層をチャネルと呼ぶこともできる。２次元キャリア層が生じると、前記電流分散層の横方向の抵抗が低くなり、活性層における電流の均一性が向上する。
前記電流分散層の前記第１の層と前記第２の層との少なくとも一方に第２導電型決定用不純物が添加されていることが望ましい。
前記第２の化合物半導体層は、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し、且つ前記第１の層及び前記第２の層よりも大きい厚みを有していることが望ましい。前記第２の化合物半導体層が大きい厚みを有していると、前記第２の化合物半導体層がクラッド層として良好に機能し、キャリアのオーバーフローを良好に抑制することができる。これにより、活性層に対するキャリアの閉じ込め効率が向上し、発光効率が向上する。
前記電流分散層の前記第１の層は前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し且つＡｌ（アルミニウム）を含まない又は第１の割合で含む窒化物半導体から成り、前記第２の層は前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し且つＡｌを前記第１の割合よりも大きい第２の割合で含んでいる窒化物半導体から成ることが望ましい。Ａｌ（アルミニウム）の含有率が互いに異なる２つの窒化物半導体間のヘテロ接合によって２次元キャリア層を良好に得ることができる。
前記電流分散層の前記第１の層は前記第２の化合物半導体層よりも薄いことが望ましい。前記第１の層の好ましい厚みは１５ｎｍ〜５０００ｎｍである。
前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型であることが望ましい。前記電流分散層がｎ型の場合には、前記電流分散層に含まれているヘテロ接合に基づいて２次元電子ガスが生じる。電子は正孔よりも高い移動度（mobility）を有するので、半導体発光素子の応答特性を向上させることができる。
前記第１の電極は前記電流分散層の露出表面の一部に直接に接続されていることが望ましい。これにより、前記第１の電極を容易に形成することができる。
半導体発光素子は、更に、前記第１の化合物半導体層を支持するための導電性支持基板を備えていることが望ましい。これにより、半導体発光素子の機械的強度が向上する。また、前記第２の電極を前記導電性支持基板に接続することが可能になる。
前記半導体発光素子を、支持基板を用意する工程と、前記支持基板の上に第１導電型を有する第１の化合物半導体層と活性層と第２導電型を有する第２の化合物半導体層とを順次に気相成長法で形成する工程と、気相成長法によって、前記第２の化合物半導体層上に、第１の化合物半導体から成る第１の層と前記第１の化合物半導体と異なる第２の化合物半導体から成る第２の層とを交互に複数回繰返して形成して電流分散層を得る工程と、前記電流分散層に電気的に接続された第１の電極を形成する工程と、前記第１の化合物半導体に対して電気的に接続された第２の電極を形成する工程とを含む第１の方法によって製造することができる。
また、前記半導体発光素子を、半導体を成長させるための成長用基板を用意する工程と、気相成長法によって、前記成長用基板の上に第１の化合物半導体から成る第１の層と前記第１の化合物半導体と異なる第２の化合物半導体から成る第２の層とを交互に複数回繰り返して形成して電流分散層を得る工程と、前記電流拡散層の上に第１導電型を有する第１の化合物半導体層と活性層と第２導電型を有する第２の化合物半導体層とを順次に気相成長法で形成する工程と、支持基板を用意する工程と、前記第２の化合物半導体層の一方の主面と前記支持基板の一方の主面との内の少なくとも一方に金属又は合金から成る導電体層を形成する工程と、前記支持基板の一方の主面と前記第２の化合物半導体層の一方の主面とを前記導電体層を介して貼付ける工程と、前記貼付け工程の前又は後に前記成長用基板を除去する工程と、前記電流分散層に電気的に接続された第１の電極を形成する工程と、前記第２の化合物半導体層に対して電気的に接続された第２の電極を形成する工程とを含む第２の方法によって製造することができる。この第２の方法における電流分散層の第１の層は前記第１の方法における電流拡散層の第２の層と同様な機能を有する。この第２の方法における電流分散層の第２の層は前記第１の方法における電流分散層の第１の層と同様な機能を有する。この第２の方法における前記第１の化合物半導体層は前記第１の方法における前記第２の化合物半導体層と同様な機能を有する。この第２の方法における前記第２の化合物半導体層は前記第１の方法における前記第１の化合物半導体層と同様な機能を有する。この第２の方法によれば、電流分散層を第１及び第２の化合物半導体層と活性層との気相成長のバッファ層として機能させることができる。

本発明によれば次の効果を得ることができる。
（１） 電流分散層が第１及び第２の層の交互積層体から成り、多重ヘテロ接合構造を有する。ヘテロ接合の近傍に２次元キャリア層、即ち２次元電子ガス又は２次元ホールガスを生じる。このため、電流分散層の第１の層の横方向の抵抗、即ち電流分散層の一方の主面に対して平行な方向の抵抗が小さくなり、電流分散層において電流の横方向分散効果が生じ、活性層における電流分布の均一性が向上し、発光効率を高めることができる。
（２） 多重ヘテロ接合構造を有する電流分散層において従来と同一の電流分散機能を得る場合には、電流分散層の厚みを従来の電流分散層の厚みよりも薄くすることができる。電流分散層を薄くすれば、ここでの光吸収が小さくなり、光取り出し効率が向上し、且つここでの電力損失が低減する。

次に、本発明の実施形態を図１〜図８参照して説明する。

図１に示す本発明の実施例１に従う半導体発光素子としてのダブルへテロ接合構造の発光ダイオードは、導電性を有するｐ型シリコンから成る支持基板１と、ｐ型（第１導電型）を有する窒化物半導体から成るバッファ層２と、第１の化合物半導体層としてのｐ型窒化物半導体層３と、窒化物半導体から成る活性層４と、第２の化合物半導体層としてのｎ型窒化物半導体層５と、本発明に係わる多重ヘテロ接合構造のｎ型電流分散層６と、カソード電極として機能する第１の電極７と、アノード電極として機能する第２の電極８とから成る。上記ｐ型窒化物半導体層３はｐ型クラッド層と呼ばれ、上記ｎ型窒化物半導体層５はｎ型クラッド層と呼ばれることもある。

ｐ型シリコン支持基板１には、ｐ型不純物即ちアクセプタ不純物として機能する例えばＢ（ボロン）等の３族の元素が例えば５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×０¹⁹ｃｍ^-3程度の濃度でドーピングされている。従って、シリコン支持基板１は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度の低い抵抗率を有している導電性支持基板であって、第１及び第２の電極７、８間の電流通路として機能する。また、このシリコン支持基板１は、この上の各層２〜６を機械的に支持することができる厚み、例えば３５０〜５００μｍを有する。

ｐ型シリコン支持基板１の上に配置されたバッファ層２は、ｐ型不純物（アクセプタ不純物）を含む３−５族化合物半導体からなり、好ましくは、化学式Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-b Ｎ、ここでａ及びｂは０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、を満足する数値、で示される窒化物半導体から成る。即ち、バッファ層２は、好ましくは、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）から選択された材料から成る。この実施例１のバッファ層２は厚さ３０ｎｍのｐ型窒化ガリウム インジウム アルミニウム（ＡｌＩｎＧａＮ）から成る。
バッファ層２は、主としてシリコン支持基板１の結晶の面方位をこの上に形成する窒化物半導体から成る各層３〜６に良好に受け継がせるためのバッファ機能を有する。このバッファ機能を良好に発揮するために、バッファ層２は１０ｎｍ以上の厚さを有していることが望ましい。但し、バッファ層２のクラックを防止するために、バッファ層２の厚みを５００ｎｍ以下にするのが望ましい。
図１の単層構成のバッファ層の代りに、第１の層と第２の層とを複数回繰返してエピタキシャル成長させた多層構造バッファ領域とすることができる。この多層構造バッファ領域の第１の層は
化学式 Ａｌ_xＭ_yＧａ_1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）
とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成ることが望ましい。即ち、上記化学式に従う多層構造バッファ領域の第１の層の好ましい材料は、例えばＡｌＮ(窒化アルミニウム)、又はＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、又はＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、又はＡｌＢＧａＮ（窒化ガリウム ボロン アルミニウム）、又はＡｌＩｎＢＧａＮ（窒化ガリウム ボロン インジウム アルミニウム）、又はＡｌＩｎＮ（窒化 インジウム アルミニウム）、又はＡｌＢＮ（窒化ボロン アルミニウム）、又はＡｌＩｎＢＮ（窒化ボロン インジウム アルミニウム）である。
また、多層構造バッファ領域の第２の層は、
化学式 Ａｌ_aＭ_bＧａ_1-a-bＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）
とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、 ０≦ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される材料から成ることが望ましい。
また、バッファ層２の上のｐ型窒化物半導体層３が比較的厚い場合にはバッファ層２を省くこともできる。

ｐ型窒化物半導体層３は３−５族化合物半導体であって、好ましくは、化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１を満足する数値、で示される材料にｐ型不純物をドーピングしたもので形成される。即ち、ｐ型窒化物半導体層３は、好ましくは、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）から選択された材料にｐ型不純物をドーピングしたもので形成される。この実施例のｐ型窒化物半導体層３は上記化学式におけるｘ＝０、ｙ＝０に相当するｐ型ＧａＮから成る。このｐ型窒化物半導体層３は活性層４よりも大きなバンドギャップを有し、且つ約２００ｎｍの厚さを有する。

活性層４は３−５族化合物半導体から成り、好ましくは、化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１を満足する数値、で示される窒化物半導体で形成される。この実施例では活性層４が窒化ガリウム インジウム（ＩｎＧａＮ）で形成されている。なお、図１では活性層４が１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造（multiple quantum well structure）を有している。勿論、活性層４を１つの層で構成することもできる。また、この実施例では活性層４に導電型決定不純物がドーピングされていないが、ｐ型又はｎ型不純物をドーピングすることができる。活性層４はｐ型窒化物半導体層３及びｎ型窒化物半導体層５よりも薄く形成されている。

活性層４の上に配置された第２の化合物半導体層としてのｎ型窒化物半導体層５は３−５族化合物半導体であって、好ましくは、化学式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ、ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１を満足する数値、で示される材料にｎ型不純物をドーピングしたもので形成される。この実施例では、ｎ型窒化物半導体層５がｎ型ＧａＮで形成されている。このｎ型窒化物半導体層５は活性層４よりも大きいバンドギャップを有し、且つ５００ｎｍの厚みを有する。ｎ型窒化物半導体層５の好ましい厚みは２００〜１００００ｎｍであり、且つ後述する電流分散層６の第１及び第２の層９、１０よりも厚いことが望ましい。ｎ型窒化物半導体層５が大きい厚みを有していると、ｎ型窒化物半導体層がクラッド層として良好に機能し、キャリアのオーバーフローを良好に抑制することができる。これにより、活性層４に対するキャリアの閉じ込め効率が向上し、発光効率が向上する。
発光ダイオードの主半導体領域としての機能を有するｐ型窒化物半導体層３、活性層４及びｎ型窒化物半導体層５は、バッファ層２を介してシリコン基板１の上にエピタキシャル成長されているので、その結晶性は比較的良好である。

ｎ型窒化物半導体層５の上に配置された本発明に従うｎ型電流分散層６は、電流分散兼コンタクト層、又はコンタクト層、又は窓層と呼ぶこともできるものであり、第１及び第２の層９、１０が複数回繰り返して配置された交互積層体から成る。従って、電流分散層６は多重ヘテロ接合層構造を有し、複数のヘテロ接合を含む。図１では図示を簡略化するために第１及び第２の層９、１０の対が４回繰り返して配置されているのみであるが、実際には４０回繰り返して配置されている。第１及び第２の層９、１０の対の数は好ましくは２０〜６０から選択される。

電流分散層６の第１の層９は３−５族化合物半導体から成り、好ましくはＡｌを含まない又はＡｌを第１の割合で含むｎ型（第２の導電型）の第１の窒化物半導体から成る。第２の層１０は第１の層９と異なる組成を有する３−５族化合物半導体から成り、好ましくはＡｌを前記第１の割合よりも大きい第２の割合で含んでいるｎ型の第２の窒化物半導体から成る。
電流分散層６の第１の層９の好ましい材料は不純物を無視して次の化学式で示される。
Ａｌ_aＭ_bＧａ_1-a-bＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）
とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、 ０≦ａ＜１、
０≦ｂ１、
ａ＋ｂ≦１、
を満足する数値である。
換言すれば、電流分散層６の第１の層９の好ましい材料は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）、ＢＮ（窒化ボロン）、ＢＧａＮ（窒化ガリウム ボロン）、ＢＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム ボロン）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム、アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、ＡｌＢＮ（窒化ボロン アルミニウム）、ＡｌＢＧａＮ（窒化ガリウム ボロン アルミニウム）及びＡｌＢＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム ボロン アルミニウム）等から選択される。
この実施例の第１の層９は上記化学式のａ及びｂが零のｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）から成り、エネルギーバンド図において活性層４よりも大きいバンドギャップを有し且つ２５ｎｍの厚さを有する。第１の層９の厚さは好ましくは１５〜５００ｎｍから選択される。第１の層９の厚みが１５ｎｍよりも小さくなると、第１の層９に２次元電子ガスを生じさせる効果を十分に得ることができなくなる。また、第１の層９が５００ｎｍよりも厚くなると、ここでの光吸収が大きくなり、光取り出し効率が低下する。

電流分散層６の第１の層９の上に配置された第２の層１０の好ましい材料は不純物を無視して次の化学式で示される。
化学式 Ａｌ_xＭ_yＧａ_1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）
とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値である。
換言すれば、電流分散層６の第２の層１０の好ましい材料は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム、アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、ＡｌＢＮ（窒化ボロン アルミニウム）、ＡｌＢＧａＮ（窒化ガリウム ボロン アルミニウム）及びＡｌＢＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム ボロン アルミニウム）等から選択される。但し、この第２の層１０は第１の層９に対してヘテロ接合を形成するために第１の層９と異なる材料で形成される。また、第２の層１０は第１の層９に２次元キャリア層としての２次元電子ガス層を形成できる材料から成る。この実施例の第２の層１０は上記化学式のｘ＝１、ｙ＝０に相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成り、活性層４よりも大きいバンドギャップを有し且つ第１の層９よりも薄いと共に量子力学的トンネル効果を得ることができる５ｎｍの厚さを有する。第２の層１０の厚みは、好ましくは０．５〜５ｎｍの値から選択される。第２の層１０の厚みが０．５ｎｍよりも小さくなると、２次元電子ガス層を良好に形成できなくなる。また、第２の層１０の厚みが５ｎｍよりも大きくなると、トンネル効果を得ることができなくなり、第２の層１０の厚み方向の抵抗が大きくなる。
この実施例では、第１及び第２の層９、１０にｎ型不純物が添加されている。しかし、第１及び第２の層９、１０のいずれか一方のみにｎ型不純物を添加すること、又は第１及び第２の層９、１０のいずれにもｎ型不純物を添加しないことができる。

２次元電子ガスを発生することができる第１及び第２の層９、１０の複数の交互積層体から成る電流分散層６は、活性層４で発生した光の透過性に優れた特性を有する。また、電流分散層６の厚み方向の抵抗及び電流分散層６の上面に平行な方向即ち横方向の抵抗が極めて小さい。電流分散層６の横方向の抵抗の低減効果は、第１及び第２の層９、１０のヘテロ接合界面に隣接している第１層９の一方の主面近傍に生じる２次元電子ガス層（図示せず）によって得られる。

カソード電極として機能する第１の電極７は、ｎクラッド層としてのｎ型窒化物半導体層５よりもｎ型不純物濃度が高い電流分散層６の第２の層１０の表面のほぼ中央の一部分のみに配置され、電流分散層６に直接にオーミック接触している。この第１の電極７は、図示されていないワイヤ等の外部接続部材を接続するためのパッド電極としての機能を有する。第１の電極７は電流分散層６の表面の中央一部のみに接続されているが、電流分散層６の電流分散作用によって活性層４の外周側部分にも電流を流すことができる。即ち、活性層４における第１の電極７に対向してない領域にも電流を流すことができる。
前記特許文献２に示されているアノード電極と同様に電流分散層６の表面の外周側部分に付加的に細条電極を配置し、これを第１の電極７に電気的に接続することも可能である。この場合、電流分散層６の表面の面積に対する細条電極の表面の割合を前記特許文献２よりも小さくすることができる。また、第１の電極７に付加的に光透過性電極を電流分散層６の表面に設けることもできる。また、第１の電極７と電流分散層６との間にオーミック性を更に向上させるためのｎ型窒化物半導体から成るコンタクト層を設けることができる。

アノード電極として機能する第２の電極８は、ｐ型シリコン支持基板１の下面にオーミック接触している。なお、第２の電極８をｐ型窒化物半導体層３又はｐ型バッファ層２に直接に接続することもできる。

この実施例１の発光ダイオードを第１の方法に従って製造する時には、シリコン支持基板１を用意し、このシリコン支持基板１の上にｐ型バッファ層２、ｐ型窒化物半導体層３、活性層４、及びｎ型窒化物半導体層５を周知のＯＭＶＰＥ（Organometallic Vapor Phase Epitaxy）即ち有機金属気相成長法によって順次に形成する。続いて、ＯＭＶＰＥ反応室に所定の割合でトリメチルガリウムガス（以下、ＴＭＧと言う。）とアンモニアガスとシランガス（ＳｉＨ₄）とを導入することによってＧａＮから成る第１の層９を形成する。第１の層９の形成に引き続いてＯＭＶＰＥ反応室にトリメチルアルミニウムガス（以下、ＴＭＡと言う。）とアンモニアガスとシランガスとを導入することによってＡｌＮから成る第２の層１０を形成する。ＯＭＶＰＥ反応室に供給するガスの種類を切り換えることによって第１及び第２の層９、１０を複数回繰り返して所望の電流分散層６を得る。

最後に、第１の電極７及び第２の電極８を形成して発光ダイオードを完成させる。

本実施例は次の効果を有する。
（１）ｎ型の電流分散層６が第１及び第２の層９、１０の複数の交互積層体であり、複数のヘテロ接合を含む。複数のヘテロ接合のそれぞれに界面に隣接して２次元キャリア層として２次元電子ガス層が生じる。このため、電流分散層６の横方向の抵抗が小さくなり、活性層４の第１の電極７に対向していない外周側領域に流れる電流が増大する。この結果、図３に示すように第１の電極７の外側の第１及び第２の位置Ｐ₁、Ｐ₂間と第３及び第４の位置Ｐ₃、Ｐ₄間とにおいてほぼ均一な光出力を得ることができる。これにより、前記特許文献２に記載されている細条電極を省くこと、又は細条電極の表面積を低減することができ、細条電極による光取り出しの妨害を無くすこと、又は低減することができ、光取り出し効率が向上する。また、従来の光透過性電極を有する発光ダイオードに比較して、本実施例の発光ダイオードは従来の光透過性電極における光吸収分だけ光取り出し効率を高くすることができる。
（２） ２次元電子ガス効果を有する電流分散層６を、従来の単一層の構造の電流分散層よりも薄くしても、従来の単一層構造の電流分散層と同等の電流分散効果即ち電流を横方向に広げる効果を得ることができる。従って、電流分散層６における光吸収及び電圧降下を従来の電流分散層よりも小さくすることができる。
（３） 電流分散層６はｎ型窒化物半導体層５よりも不純物濃度が大きいので、コンタクト層としての機能も有し、ここに第１の電極７を直接にオーミック接触させることができる。この電流分散層６はキャリアを多く含むので、第１の電極７の電流分散層６に対する接触抵抗を低減させることができる。
（４）電流分散層６は、ｐ型バッファ層２、ｐ型窒化物半導体層３、活性層４、及びｎ型窒化半導体層５の形成に引き続いて気相成長で形成されるので、製造工程がさほど複雑にならず、発光ダイオードの製造コストの上昇を抑えることができる。

次に、図４に示す実施例２を説明する。但し、図４及び後述する図５〜図８において図１及び図２と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図４の発光ダイオードは、図１のｎ型窒化物半導体層５を省き、この他は図１と同一に構成したものに相当する。即ち、この図４では電流分散層６′の第１の層９と同一構成を有するｎ型窒化物半導体層９′が設けられている。このｎ型窒化物半導体層９′は第２の層１０に接しているので２次元電子ガス効果を得るための層としての機能を有すると共に、活性層４にも接しているので、図１のｎ型窒化物半導体層５と同様にｎクラッド層としての機能も有する。図４の電流分散層６′は図１の電流分散層６の最も下の第１の層９を省き、この他は図１と同一に構成したものである。従って、図４の電流分散層６′の最下層は第２の層１０である。
図４の実施例２の発光ダイオードも２次元電子ガス効果を有する電流分散層６′を有するので、実施例１と同一の効果を有する。

図５に示す実施例３の発光ダイオードは、図１の実施例１の発光ダイオードに電流ブロック層１１を追加し、更に変形された第１の電極７′を設け、この他は図１と同一に構成したものである。

電流ブロック層１１は絶縁体又は電流分散層６と逆の導電型半導体から成り、図１の第１の電極７に相当する位置に配置されている。図５の第１の電極７′は、電流ブロック層１１の上に配置された電極パッド部分７ａとここに電気的に接続された細条部分７ｂとから成る。細条部分７ｂは電流拡散層６の表面上に環状又は格子状に配置され、電流拡散層６にオーミック接触している。

本実施例の発光ダイオードは電流分散層６を有するので、活性層４の外周側領域にも良好に電流が流れるが、細条部分７ｂを電流ブロック層１１の外側に配置すると、活性層４の外周側領域に更に電流が流れ易くなる。本実施例では細条部分７ｂのみによって電流を外周側部分に流すことが不要であるので、細条部分７ｂの電流分散層６の表面積に対する割合を小さくしても、外周側領域に所望の電流を流すことができる。従って、前記特許文献１の構造に比べて光取り出し効率が高くなる。なお、図５の細条部分７ｂと電流分散層６との間にオーミック性を改善するためのｎ型窒化物半導体から成るコンタクト層を配置することができる。なお、電流ブロック層１１に相当するものをｐ型半導体領域２、３側に形成しても良い。この場合、電極７の直下に電流ブロック層１１を形成する場合よりも、電流分散層６での電流分散の影響を受けにくく、ブロック効果が強く発揮できることが期待される。また、電流ブロック層１１は隣接する半導体層と反対導電型の半導体層で形成することもできる。

本発明に従う発光ダイオードを第２の方法で製造するときには、図６及び図７に示す実施例４に従う工程によって製造する。
まず、図６に示す例えばシリコンから成る成長用基板２０を用意する。次に、この成長用基板２０の上に電流分散層６、第１導電型の第１の化合物半導体層としてのｎ型窒化物半導体層５、活性層４、第２導電型の化合物半導体層としてのｐ型窒化物半導体層３及びバッファ層２を順次に周知のＯＭＶＰＥ法で形成する。図６の電流分散層６は第１及び第２の層１０，９の複数の交互積層体からなる。
図６の各層の配列順は図１の各層の配列順と反対である。従って、図６の第１の化合物半導体層としてのｎ型窒化物半導体層５は図１の第２の化合物半導体層としてのｎ型窒化物半導体層５と同一の機能を有し、図６の第２の化合物半導体層としてのｐ型窒化物半導体層３は図１の第１の化合物半導体層としてのｐ型窒化物半導体層３と同一の機能を有し、図６の電流分散層６の第１の層１０は図１の電流分散層６の第２の層１０と同一の機能を有し、図６の電流分散層６の第２の層９は図１の電流分散層６の第１の層９と同一の機能を有する。
図６の第１及び第２の層１０、９から成る多層構造の電流分散層６はこの上の層５、４、３、２のエピタキシャル成長のためのバッファ領域として機能し、上の層５、４、３、２の結晶性及び平坦性を向上させることができる。

次に、ｐ型バッファ層２の一方の主面にＡｕ等の金属層をスパッタリング等で形成する。このｐ型バッファ層２の一方の主面の金属層は後述の貼り合せ工程において必要になる貼り合せ可能な導電体層である。
次に、図７に示すｐ型シリコン支持基板１を用意し、このシリコン支持基板１の一方の主面にＡｕ等の金属層を形成する。このシリコン支持基板１の一方の主面の金属層は後述の貼り合せ工程において必要になる貼り合せ可能な導電体層である。
次に、ｐ型バッファ層２の金属層とシリコン支持基板１の金属層とを熱圧着等で貼り合せる。これにより、図７に示すようにｐ型バッファ層２とｐ型シリコン基板１とが金属層２１を介して貼り合せたものが得られる。
この実施例４では、ｐ型バッファ層２とｐ型シリコン支持基板１と両方に金属層を設けたが、この代わりにｐ型バッファ層２とｐ型シリコン支持基板１とのいずれか一方のみに金属層を設け、この金属層を介してｐ型バッファ層２とｐ型シリコン支持基板１とを貼り合せることもできる。また、ｐ型バッファ層２の金属層とシリコン支持基板１の金属層とを合金層等の別の導電体層とすることもできる。
次に、図７のＢ−Ｂ線の上の成長用基板２０を除去する。この実施例４では、ｐ型バッファ層２とｐ型シリコン支持基板１と貼り合せた後に成長用基板２０を除去しているが、この代わりにｐ型バッファ層２とｐ型シリコン支持基板１との貼り合せ前に成長用基板２０を除去することもできる。
しかる後、図１の第１の電極７に相当するものを電流分散層６の表面上に形成し、シリコン支持基板１に第２の電極８に相当するものを接続して図１と実質的に同一の発光ダイオードを得る。

この実施例４の方法で形成された発光ダイオードは図１の実施例１と同一の効果を有する。また、この実施例４によれば多層構造の電流分散層６がエピタキシャル成長のバッファとして機能しているので、ｐ型及びｎ型窒化物半導体層３、５及び活性層４の結晶性及び平坦性を改善できる。
なお、図７のｐ型シリコン支持基板１の代わりにｎ型シリコン支持基板や金属板を使用することも勿論可能である。

図８に示す実施例５の発光ダイオードは、第２の電極８の接続位置をｐ型バッファ層２に変え、この他は図１と同一に形成したものである。図８では支持基板１及びｐ型バッファ層２が、これ等の上の層３〜６よりも外周側に突出し、第２の電極８がｐ型バッファ層２の上に形成されている。

図８の実施例５の発光ダイオードも多層構造の電流分散層６を有しているので、図１の実施例１と同一の効果を有する。また、第２の電極８がバッファ層２の外周側に環状に配置されているので、活性層４の外周側領域の電流を増やし、発光効率を高めることができる。なお、図８の実施例５では、支持基板１に電流を流さなくて良いため、支持基板１をサファイャ等の絶縁性基板に置き換えることができる。

本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１） ｐ型窒化物半導体層３とｎ型窒化物半導体層５とのいずれか一方又は両方を互いに材料の異なる窒化物半導体層の多層構造にすることができる。
（２） ｐ型バッファ層２を互いに材料の異なる窒化物半導体層の多層構造にすることができる。
（３） 電流分散層６に２次元電子ガスの効果を高めるための第３の層を付加することができる。
（４）ｐ型バッファ層２、ｐ型窒化物半導体層３、活性層４、及びｎ型窒化半導体層５、及び電流分散層６を、窒素以外の５族の元素例えばP（リン）と３族の元素との化合物半導体で形成することができる。
（５） 実施例１〜５において、各層の導電型を反対の導電型にすることができる。電流分散層６がｐ型の場合は、ヘテロ接合に基づいて２次元ホールガスが生じる。

本発明は、光出力の大きい発光ダイオード等の半導体発光素子に利用可能である。

本発明の実施例１に従う発光ダイオードを示す中央縦断面図である。 図１の発光ダイオードの平面図である。 図２の発光ダイオードのＡ−Ａ線における光出力を相対的に示す図である。 本発明の実施例２に従う発光ダイオードの断面図である。 本発明の実施例３に従う発光ダイオードの断面図である。 本発明の実施例４の発光ダイオードの第１の製造工程の状態を示す断面図である。 実施例４の発光ダイオードの第２の製造工程の状態を示す断面図である。 本発明の第５の実施例に従う発光ダイオードを示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ ｐ型バッファ層
３ ｐ型窒化物半導体層
４ 活性層
５ ｎ型窒化物半導体層
６ ｎ型電流分散層
７ 第１の電極
８ 第２の電極
９ 第１の層
１０ 第２の層

Claims (11)

1. 第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層の上に配置された化合物半導体から成る活性層と、
   前記活性層の上に配置され且つ光透過性を有し且つ前記第１導電型と反対の第２導電型を有している第２の化合物半導体層と、
   前記第２の化合物半導体層上に配置され且つ光透過性を有しており、且つ第１の化合物半導体から成る第１の層と前記第１の化合物半導体と異なる第２の化合物半導体から成る第２の層とが交互に複数回繰り返して配置された積層体から成る電流分散層と、
   前記活性層から放射された光を前記電流分散層の表面側から取り出すことを許す状態に前記電流分散層に電気的に接続された第１の電極と、
   前記第１の化合物半導体層に対して電気的に接続された第２の電極と
   を備えていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の層の前記第１の化合物半導体は前記第１の層と前記第２の層との間のヘテロ接合に基づいて前記第１の層に２次元キャリア層を生じさせることができる材料であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記電流分散層の前記第１の層と前記第２の層との少なくとも一方に第２導電型決定用不純物が添加されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記第２の化合物半導体層は、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し、且つ前記第１の層及び前記第２の層よりも大きい厚みを有していることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の層は前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し且つＡｌを含まない又は第１の割合で含む第２の導電型窒化物半導体から成り、前記第２の層は前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し且つＡｌを前記第１の割合よりも大きい第２の割合で含んでいる第２導電型窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
6. 前記第１の層は前記第２の化合物半導体層よりも薄いことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
7. 前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
8. 前記第１の電極が前記電流分散層の露出表面の一部に直接に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
9. 更に、前記第１の化合物半導体層を支持するための導電性支持基板を備え、前記第２の電極は前記導電性支持基板に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
10. 支持基板を用意する工程と、
    前記支持基板の上に第１導電型を有する第１の化合物半導体層と活性層と第２導電型を有する第２の化合物半導体層とを順次に気相成長法で形成する工程と、
    気相成長法によって、前記第２の化合物半導体層上に、第１の化合物半導体から成る第１の層と前記第１の化合物半導体と異なる第２の化合物半導体から成る第２の層とを交互に複数回繰返して形成して電流分散層を得る工程と、
    前記電流分散層に電気的に接続された第１の電極を形成する工程と、
    前記第１の化合物半導体に対して電気的に接続された第２の電極を形成する工程と
    から成る半導体発光素子の製造方法。
11. 半導体を成長させるための成長用基板を用意する工程と、
    気相成長法によって、前記成長用基板の上に第１の化合物半導体から成る第１の層と前記第１の化合物半導体と異なる第２の化合物半導体から成る第２の層とを交互に複数回繰り返して形成して電流分散層を得る工程と、
    前記電流分散層の上に第１導電型を有する第１の化合物半導体層と活性層と第２導電型を有する第２の化合物半導体層とを順次に気相成長法で形成する工程と、
    支持基板を用意する工程と、
    前記第２の化合物半導体層の一方の主面と前記支持基板の一方の主面との内の少なくとも一方に金属又は合金から成る導電体層を形成する工程と、
    前記支持基板の一方の主面と前記第２の化合物半導体層の一方の主面とを前記導電体層を介して貼付ける工程と、
    前記貼付け工程の前又は後に前記成長用基板を除去する工程と、
    前記電流分散層に電気的に接続された第１の電極を形成する工程と、
    前記第２の化合物半導体層に対して電気的に接続された第２の電極を形成する工程と
    から成る半導体発光素子の製造方法。

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