JP2006080469A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ｐ型窒化物半導体と良好なオーミック接触を形成する金属以外の金属をｐ側電極として用いる、新規なｐｎ接合型の窒化物半導体発光素子の構造を提供する。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入するためのｐ側電極に、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属を用いるとともに、かかるｐ側電極を形成するコンタクト層をｎ型窒化物半導体で形成する。Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）といった金属が、ｐ側電極の材料として使用可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入するためのｐ側電極に、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属を用いるとともに、かかるｐ側電極を形成するコンタクト層をｎ型窒化物半導体で形成する。Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）といった金属が、ｐ側電極の材料として使用可能となる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ｐｎ接合型の窒化物半導体発光素子に関し、とりわけ、ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入するための電極と、該電極が形成される窒化物半導体層であるコンタクト層に関する。
窒化物半導体発光素子は、その半導体発光素子構造の主要部分に窒化物半導体を用いた発光素子であり、ｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体とをｐｎ接合が形成されるように積層し、ｐｎ接合部で電子と正孔の再結合による発光が生じるように構成されたｐｎ接合型の素子構造が一般的である。主要な形態としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）などの形態が挙げられる。窒化物半導体発光素子は、発光領域に用いられる窒化物半導体の組成を選択することによって、可視短波長（緑色）〜近紫外領域の光を発生させることが可能である。
窒化物半導体は、一般式ＡｌａＩｎｂＧａ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であって、例えば、二元系のＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、三元系のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、四元系のＡｌＩｎＧａＮなど、任意の組成のものが例示される。ここで、３族元素の一部を、Ｂ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）等で置換したものや、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）等で置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
窒化物半導体は、欠陥として含まれる窒素空孔から電子が供給されるために、アンドープでもｎ型半導体となるが、更に、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｃ（炭素）等の元素をドープすることによってｎ型伝導性が向上する。すなわち、これらの元素は窒化物半導体に対してｎ型不純物として働く。
また、窒化物半導体は、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）等の元素をドープすることにより、ｐ型半導体とすることができる。すなわち、これらの元素は窒化物半導体に対してｐ型不純物として働く。
窒化物半導体発光素子の典型的な構造として、図６に示すように、結晶成長用の基板１の上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）等の気相成長法によって成長された窒化物半導体結晶からなるｎ型コンタクト層２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を含む積層体が形成され、ｎ型コンタクト層２にｎ側電極Ｐ１、ｐ型コンタクト層６にｐ側電極Ｐ２が形成された、ダブルヘテロｐｎ接合型のＬＥＤ構造が例示される（特許文献１）。ここで、ｎ型コンタクト層２とｎ型クラッド層３はｎ型窒化物半導体で形成され、ｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６はｐ型窒化物半導体で形成される。活性層はｎ型窒化物半導体および／またはｐ型窒化物半導体で形成される。ｎ側電極Ｐ１は、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属で形成され、ｐ側電極Ｐ２は、ｐ型窒化物半導体とオーミック接触する金属で形成される。
図６に示すダブルへテロ構造のＬＥＤにおいては、活性層４を挟むように設けられたｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層５から、それぞれ電子と正孔が活性層４に供給され、活性層４において電子と正孔との再結合による発光が生じる。発光波長は、この再結合の場である活性層４を形成する窒化物半導体層のバンドギャップにより定まる。ｐ型クラッド層３およびｎ型クラッド層５は、電子と正孔とが活性層に閉じ込められるように、活性層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体で形成される。このようなダブルヘテロ構造の発光素子において、活性層４を単一量子井戸（ＳＱＷ）構造や多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすると、上記発光再結合の効率が更に向上し、発光効率がより一層高くなる。
発光に必要な正孔をｐ型クラッド層５に注入するためのｐ側電極Ｐ２は、ｐ型クラッド層５に形成してもよいが、ｐ型クラッド層５よりもｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ型コンタクト層６に形成することが、より好ましい。その理由は、ｐ型窒化物半導体においては、導電性が最も良好となるｐ型不純物濃度と、電極との接触抵抗が最も低くなるｐ型不純物濃度が異なり、後者の方が前者よりも高濃度であることから、ｐ型クラッド層５にはその導電性が最も良好となる濃度にｐ型不純物をドープし、ｐ型コンタクト層６にはｐ側電極Ｐ２との接触抵抗が最も低くなる濃度にｐ型不純物をドープすることにより、ＬＥＤの動作電圧である順方向電圧を最も低くすることができるからである（特許文献２）。 ＬＤの場合も、同様に、ｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を、ｐ側電極と接する領域で高濃度となるようにすることで、動作電圧である発振の閾値電圧を低下させることができる。
従来の窒化物半導体発光素子では、ｐ側電極Ｐ２とｐ型コンタクト層６との接触抵抗を低く抑え、ｐ型電極Ｐ２からｐ型コンタクト層６に正孔が効率的に注入されるようにするためには、ｐ型窒化物半導体と良好なオーミック接触を形成する金属でｐ側電極Ｐ２を形成することが必須と考えられている。そのような金属としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）等が知られており、ｐ側電極Ｐ２は、少なくともｐ型コンタクト層６と接する部分がこれらの金属で形成されていた。
特開平６−２６８２５９号公報
特開平８−９７４７１号公報
特開２００４−１７９３６９号公報
上述の通り、従来の窒化物半導体発光素子においては、ｐ側電極Ｐ１の材料として用い得る金属がＮｉ、Ｒｈ、Ｐｄ等に限られており、設計の自由度が低かった。
従って、本発明の課題は、ｐ型窒化物半導体と良好なオーミック接触を形成する金属以外の金属をｐ側電極として用いる、新規な窒化物半導体発光素子の構造を提供することである。
また、従来ｐ側電極に用いられていたＮｉ、Ｒｈ、Ｐｄ等の金属には、窒化物半導体発光素子の典型的な発光波長である可視短波長〜近紫外波長領域の光に対する吸収が比較的大きいという問題や、貴金属であるために高価であるという問題があった。
従って、本発明の他の課題は、ｐ側電極の材料として、可視短波長〜近紫外波長領域の光に対する吸収が小さく、また比較的安価な材料を使用し得る、窒化物半導体発光素子の構造を提供することである。
また、従来の窒化物半導体発光素子では、動作電圧を抑えるために、ｐ側電極が形成されるコンタクト層にはｐ型不純物を高濃度（Ｍｇの場合、１×１０２０ｃｍ−３以上）にドープすることが好ましかったが、ｐ側電極との接触抵抗が十分に低くなる濃度のｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体は導電性が悪くなるために、素子の直列抵抗が上昇したり、コンタクト層内部での正孔電流の拡散性が低下する結果、活性層の発光強度に面内分布が発生し易いという問題があった。
また、不純物を高濃度にドープ窒化物半導体は結晶品質が低下するために、欠陥部を介してリーク電流が流れ易くなるので、発光素子の耐電圧特性やリーク電流特性を低下させるという問題がある。
また、ｐ型不純物を高濃度にドープしたコンタクト層からは、ｐ型不純物の一部がクラッド層や発光層に拡散し易くなるため、素子の特性低下や、特性の不安定化が生じ易くなる。特に、ｐ型不純物が活性層まで拡散すると、非発光再結合中心として働くことによって、素子の発光効率を著しく悪化させるという問題も生じる。このような拡散の問題は、ｐ型不純物の中でも、原子半径が小さく拡散し易いＭｇにおいて顕著となる。
また、Ｍｇは正孔の発生効率が高いという理由から、実用上最も好ましいｐ型不純物であるが、Ｍｇを多量にドープしたｐ型窒化物半導体層は、発光層で発生される光を吸収し、発光効率を低下させるという問題がある。その理由は、Ｍｇは窒化物半導体のバンドギャップの中に深い不純物準位を形成する傾向を有するが、ドーピング量が増加するにつれて、伝導帯とのエネルギー差が活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるような深い準位を形成するようになり、該準位に補足された電子が、活性層でのバンド間発光のエネルギーを吸収して伝導帯に励起されるようになるためである。
また、不純物を高濃度にドープ窒化物半導体は結晶品質が低下するために、欠陥部を介してリーク電流が流れ易くなるので、発光素子の耐電圧特性やリーク電流特性を低下させるという問題がある。
また、ｐ型不純物を高濃度にドープしたコンタクト層からは、ｐ型不純物の一部がクラッド層や発光層に拡散し易くなるため、素子の特性低下や、特性の不安定化が生じ易くなる。特に、ｐ型不純物が活性層まで拡散すると、非発光再結合中心として働くことによって、素子の発光効率を著しく悪化させるという問題も生じる。このような拡散の問題は、ｐ型不純物の中でも、原子半径が小さく拡散し易いＭｇにおいて顕著となる。
また、Ｍｇは正孔の発生効率が高いという理由から、実用上最も好ましいｐ型不純物であるが、Ｍｇを多量にドープしたｐ型窒化物半導体層は、発光層で発生される光を吸収し、発光効率を低下させるという問題がある。その理由は、Ｍｇは窒化物半導体のバンドギャップの中に深い不純物準位を形成する傾向を有するが、ドーピング量が増加するにつれて、伝導帯とのエネルギー差が活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるような深い準位を形成するようになり、該準位に補足された電子が、活性層でのバンド間発光のエネルギーを吸収して伝導帯に励起されるようになるためである。
従って、本発明の更に他の課題は、上記問題を解決すべく、ｐ型不純物を高濃度にドープした窒化物半導体層を必要としない、窒化物半導体発光素子を提供することである。
本発明者は、ｐ型窒化物半導体に正孔を注入するための電極には、ｐ型窒化物半導体と良好なオーミック接触を形成する金属を用いなくてはならないという従来の考え方から脱却することによって、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、次の特徴を有する。
すなわち、本発明は、次の特徴を有する。
（１）ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体からなる厚さ１５ｎｍ以下のｐ側コンタクト層とが、この順に積層された積層体と、上記ｐ側コンタクト層に形成され、少なくともｐ側コンタクト層に接する部分がｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなるｐ側電極と、を含む窒化物半導体発光素子。
（２）上記ｐ側コンタクト層の電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である、上記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
（３）上記ｐ側コンタクト層にはｎ型不純物がドープされている、上記（１）または（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）上記ｐ側コンタクト層がＩｎｘＧａ1−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる上記（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（５）上記ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、ＮｂおよびＶから選ばれる１以上の金属である、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（６）上記ｐ側電極が、Ａｕからなる表面層を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（７）上記ｐ側電極が、ＡｌまたはＡｌ合金からなる最下層と、該最下層と上記表面層との間に形成された、Ａｕよりも融点の高い金属からなるバリア層とを有する、上記（６）に記載の窒化物半導体発光素子。
（８）上記ｐ側電極が反射性電極である、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（９）上記ｐ側電極が開口電極である上記（８）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１０）上記ｐ側電極が開口電極または透明電極であり、かつ、上記ｐ側電極に透明導電膜が積層された、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１１）上記ｐ型クラッド層には、Ｍｇが濃度１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲でドープされている、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１２）上記ｐ型クラッド層は、不純物濃度および／または窒化物半導体組成が厚さ方向に一様でない、上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１３）上記積層体が導電性基板上に成長または接合されている、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１４）ｐｎ接合を形成するように積層されたｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層と、上記ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入する電極が形成されたコンタクト層とを有し、上記コンタクト層はｎ型窒化物半導体からなり、上記電極はｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる、窒化物半導体発光素子。
（１５）ダブルヘテロ構造を有する上記（１４）に記載の窒化物半導体発光素子。
（２）上記ｐ側コンタクト層の電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である、上記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
（３）上記ｐ側コンタクト層にはｎ型不純物がドープされている、上記（１）または（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）上記ｐ側コンタクト層がＩｎｘＧａ1−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる上記（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（５）上記ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、ＮｂおよびＶから選ばれる１以上の金属である、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（６）上記ｐ側電極が、Ａｕからなる表面層を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（７）上記ｐ側電極が、ＡｌまたはＡｌ合金からなる最下層と、該最下層と上記表面層との間に形成された、Ａｕよりも融点の高い金属からなるバリア層とを有する、上記（６）に記載の窒化物半導体発光素子。
（８）上記ｐ側電極が反射性電極である、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（９）上記ｐ側電極が開口電極である上記（８）に記載の窒化物半導体発光素子。
（１０）上記ｐ側電極が開口電極または透明電極であり、かつ、上記ｐ側電極に透明導電膜が積層された、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１１）上記ｐ型クラッド層には、Ｍｇが濃度１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲でドープされている、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１２）上記ｐ型クラッド層は、不純物濃度および／または窒化物半導体組成が厚さ方向に一様でない、上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１３）上記積層体が導電性基板上に成長または接合されている、上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（１４）ｐｎ接合を形成するように積層されたｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層と、上記ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入する電極が形成されたコンタクト層とを有し、上記コンタクト層はｎ型窒化物半導体からなり、上記電極はｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる、窒化物半導体発光素子。
（１５）ダブルヘテロ構造を有する上記（１４）に記載の窒化物半導体発光素子。
本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入するためのｐ側電極に、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属を用いるとともに、かかるｐ側電極を形成するコンタクト層をｎ型窒化物半導体で形成するという、新規な構成を有する。
ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる電極は、ｐ型窒化物半導体との接触抵抗が大きく、ｐ側電極としては適切でないと従来は考えられていたのであるが、本発明のように、ｎ型窒化物半導体からなるコンタクト層を設けることにより、素子の動作電圧を増大させることなく、ｐ側電極としても使用することができるようになる。すなわち、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）といった金属が、ｐ側電極の材料として使用可能となる。
ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる電極は、ｐ型窒化物半導体との接触抵抗が大きく、ｐ側電極としては適切でないと従来は考えられていたのであるが、本発明のように、ｎ型窒化物半導体からなるコンタクト層を設けることにより、素子の動作電圧を増大させることなく、ｐ側電極としても使用することができるようになる。すなわち、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）といった金属が、ｐ側電極の材料として使用可能となる。
また、本発明によれば、とりわけ、Ａｌ、Ｔｉ等の金属がｐ側電極に使用可能となるため、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ等をｐ側電極として用いた場合に発生していた、緑色〜近紫外領域の光に対する吸収が大きいという問題や、貴金属であるために高価であるという問題が改善される。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｐ側電極を形成するコンタクト層をｎ型窒化物半導体で形成することから、従来の窒化物半導体発光素子におけるｐ型コンタクト層のように、接触抵抗を下げるためにｐ型不純物を非常に高い濃度（導電性が最も良好となる濃度範囲よりも高い濃度）にドープしたｐ型窒化物半導体層が必要でなくなる。 例えば、ｐ型不純物としてＭｇを用いる場合であれば、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ−３よりも高濃度にドープした窒化物半導体を用いる必要性がない。従って、前述のような、従来の窒化物半導体素子において、ｐ型不純物を高濃度にドープした窒化物半導体の使用により生じていた問題を、改善することができる。
本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体からなる厚さ１５ｎｍ以下のｐ側コンタクト層とが、この順に積層された積層体と、上記ｐ側コンタクト層に接して形成され、少なくともｐ側コンタクト層に接する部分がｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなるｐ側電極とを含むことを特徴とする。
ここで、「ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体からなる厚さ１５ｎｍ以下のｐ側コンタクト層とが、この順に積層された積層体」は、積層体を構成する各層が、この順序で積層方向に配置されていればよく、各層の間に、他の窒化物半導体層が追加的に挿入されることを妨げない。また、上記の順序は、単に積層方向における各層の相対的な位置関係を規定するのみであり、積層体を保持する基板を基準とした位置関係を特定するものではないし、また、積層体を形成する際における形成の順序を意味するものでもない。
本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｎ型窒化物半導体からなるｐ側コンタクト層を設けることによって、ｐ側電極をｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属で形成するにもかかわらず、該ｐ側電極からｐ型窒化物半導体への正孔注入が容易となる。このようになる詳しい理由は定かではないが、本発明者は、正孔はｐ側コンタクト層をトンネリングによって通過しており、このトンネリングの障壁が低くなる何らかのメカニズムが存在するものと考えている。
なお、特許文献３（特開２００４−１７９３６９号公報）には、ｐ型半導体層の表面に金属材料等からなる低抵抗領域を形成し、更に、その上にｎ型半導体層を形成して、電極を該ｎ型半導体層上に形成する半導体装置の発明が開示されているが、以下の通り、本発明は特許文献３に開示された発明とは異なる技術思想に基づくものである。
すなわち、特許文献３に開示された発明に係る半導体装置においては、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間のｐｎ接合は、両層の間に介在される低抵抗領域によってショートされる。このことは、ｎ型半導体層からｐ型半導体層に流れる電流の殆どが、この低抵抗領域を経由して流れることを意味するものと解される。
これに対して、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層と、ｐ側電極が形成されるｎ型窒化物半導体層との間の電流を、このような低抵抗領域を介して流そうとするものではない。
また、特許文献３に開示された発明に係る発光素子においては、ｐ型半導体層の上に低抵抗領域を挟んで形成されるｎ型半導体層を厚くすることで、電極から注入された電流をその厚いｎ型半導体層中で広げ、発光層からの発光効率を増大することができるが、このことは、該電極からｎ型半導体層に注入され、該ｎ型半導体層中で電流を運ぶキャリアが電子であることを意味するものと解される。
これに対して、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型コンタクト層を介してｐ側電極からｐ型窒化物半導体層に正孔を注入するものである。
すなわち、特許文献３に開示された発明に係る半導体装置においては、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間のｐｎ接合は、両層の間に介在される低抵抗領域によってショートされる。このことは、ｎ型半導体層からｐ型半導体層に流れる電流の殆どが、この低抵抗領域を経由して流れることを意味するものと解される。
これに対して、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層と、ｐ側電極が形成されるｎ型窒化物半導体層との間の電流を、このような低抵抗領域を介して流そうとするものではない。
また、特許文献３に開示された発明に係る発光素子においては、ｐ型半導体層の上に低抵抗領域を挟んで形成されるｎ型半導体層を厚くすることで、電極から注入された電流をその厚いｎ型半導体層中で広げ、発光層からの発光効率を増大することができるが、このことは、該電極からｎ型半導体層に注入され、該ｎ型半導体層中で電流を運ぶキャリアが電子であることを意味するものと解される。
これに対して、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型コンタクト層を介してｐ側電極からｐ型窒化物半導体層に正孔を注入するものである。
以下、本発明を図を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＬＥＤの断面構造を示す模式図である。このＬＥＤ１０は、サファイア基板１１を有しており、そのサファイア基板１１上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ約２μｍのｎ型コンタクト層１２、ＳｉドープＡｌＧａＮからなる厚さ約２μｍのｎ型クラッド層１３、厚さ１０ｎｍのアンドープＧａＮ障壁層と厚さ２ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ井戸層とが交互に１０層ずつ積層された多重量子井戸構造の活性層１４、ＭｇドープＡｌＧａＮからなる厚さ１００ｎｍのｐ型クラッド層１５、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ１０ｎｍのｐ側コンタクト層１６が、順に成長されている。ｐ側コンタクト層１６側からのエッチングによって、ｎ型クラッド層１３から上の層が一部除去され、露出されたｎ型コンタクト層１２の表面にｎ側電極Ｐ１１としてＡｌ／Ｔｉ積層電極が形成されている。ｐ側コンタクト層１６の表面には、ｐ側電極Ｐ１２としてＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ積層電極が、ｐ側コンタクト層１６の表面を覆うように形成されている。このｐ側電極Ｐ１２は、上面から見るとｐ側コンタクト層１６が露出した開口部を有するパターンに形成された、開口電極である。
ここで、ｐ側コンタクト層１６を形成するＳｉドープＧａＮは、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型窒化物半導体であり、その表面に形成されたｐ側電極Ｐ１２は、ｐ側コンタクト層と接する部分が、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属であるＡｌからなる電極である。
図１は、本発明の一実施形態に係るＬＥＤの断面構造を示す模式図である。このＬＥＤ１０は、サファイア基板１１を有しており、そのサファイア基板１１上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ約２μｍのｎ型コンタクト層１２、ＳｉドープＡｌＧａＮからなる厚さ約２μｍのｎ型クラッド層１３、厚さ１０ｎｍのアンドープＧａＮ障壁層と厚さ２ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ井戸層とが交互に１０層ずつ積層された多重量子井戸構造の活性層１４、ＭｇドープＡｌＧａＮからなる厚さ１００ｎｍのｐ型クラッド層１５、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ１０ｎｍのｐ側コンタクト層１６が、順に成長されている。ｐ側コンタクト層１６側からのエッチングによって、ｎ型クラッド層１３から上の層が一部除去され、露出されたｎ型コンタクト層１２の表面にｎ側電極Ｐ１１としてＡｌ／Ｔｉ積層電極が形成されている。ｐ側コンタクト層１６の表面には、ｐ側電極Ｐ１２としてＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ積層電極が、ｐ側コンタクト層１６の表面を覆うように形成されている。このｐ側電極Ｐ１２は、上面から見るとｐ側コンタクト層１６が露出した開口部を有するパターンに形成された、開口電極である。
ここで、ｐ側コンタクト層１６を形成するＳｉドープＧａＮは、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型窒化物半導体であり、その表面に形成されたｐ側電極Ｐ１２は、ｐ側コンタクト層と接する部分が、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属であるＡｌからなる電極である。
ＬＥＤ１０において、電子は、ｎ側電極Ｐ１１からｎ型コンタクト層１２に注入され、該ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１３を経由して活性層１４に注入される。一方、正孔は、ｐ側電極Ｐ１２からｐ側コンタクト層１６を介してｐ型クラッド層１５に注入され、ｐ型クラッド層１５から活性層１４に注入される。活性層１４にて、ｎ型クラッド層１３から注入された電子と、ｐ型クラッド層１５から注入された正孔が再結合し、発光を生じる。
サファイア基板１１の表面上への窒化物半導体層の成長は、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法（分子ビームエピタキシー法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）等、窒化物半導体の公知の気相成長法を適宜用いて行うことができる。なお、ＬＥＤ１０では、ｎ側コンタクト層１２から順に成長しているが、成長の順序は、逆であってもよい。一般的には、ｐ型窒化物半導体ではドープされたｐ型不純物が活性化し難いので、ｎ型窒化物半導体に比べて多量の不純物がドープされる結果、結晶品質がｎ型窒化物半導体よりも悪くなる傾向がある。そのため、ｎ型コンタクト層１２の方が下地となるように成長を行うことが好ましい。ｐ型クラッド層１５を先に成長し、その上に活性層１４を成長すると、活性層１４の品質がｐ型クラッド層１５の結晶品質の影響を受けて悪化し、発光効率が低下する傾向がある。
ｎ型窒化物半導体にドープするｎ型不純物は、導電性の制御が容易なＳｉが最も好ましく、ｐ型窒化物半導体にドープするｐ型不純物は、正孔の生成効率（活性化率）が最も高いＭｇが最も好ましいが、これらに限定されるものではなく、従来公知のｎ型不純物、ｐ型不純物を適宜用いてよい。ｐ型窒化物半導体をＨＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法により形成する場合には、窒化物半導体層の成長が完了した後の降温過程で、水素やアンモニアの供給を停止したり、結晶成長工程の後、不活性ガス雰囲気中で熱処理や電子線照射処理を行うと、ｐ型不純物の活性化が促進され、好ましい。
窒化物半導体層を成長するための基板１１は、サファイア基板に限定されるものではなく、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、ＺｎＯ基板、ＧａＡｓ基板、ＮＧＯ基板等、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能な従来公知の基板を適宜用いることができる。サファイア基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、ＮＧＯ基板等の絶縁性基板を用いる場合には、図１のＬＥＤ１０のように、絶縁性基板の同一面側に電極を形成する必要がある（導電性を付与していないＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＡｓ基板を用いる場合も同様である）。
窒化物半導体を成長する基板のうち、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＡｓ基板等、半導体材料からなる基板は、ｎ型不純物の添加によってｎ型伝導性とすることができる。そのような基板を用いる場合は、ｎ型コンタクト層１２を省略し、ｎ側電極を基板の裏面（窒化物半導体層を成長する主面の反対側の主面）に形成することができる。
ＬＥＤ１０では、窒化物半導体の結晶品質を向上させるために、基板の直上に図示しないＧａＮバッファ層を形成し、その上にｎ型コンタクト層１２を成長しているが、更に結晶品質向上のために、バッファ層とｎ型コンタクト層１２との間に厚さ２μｍ〜２０μｍ程度のアンドープＧａＮ層を下地層として成長したり、任意の２層の間に歪み超格子層を形成してもよい。
ｎ型コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３の厚さや、不純物のドーピングの仕方については、公知の窒化物半導体発光素子の構造を参照することができる。
例えば、ｎ型コンタクト層１２の組成はＧａＮに限定されるものではないが、ｎ側電極Ｐ１１との接触抵抗の低下、ｎ型コンタクト層内での電子移動度の向上、上方に成長される活性層１４その他の窒化物半導体層の品質向上のために、ｎ型コンタクト層１２は高品質の結晶を得やすい２元結晶のＧａＮで形成することが好ましい。
また、ＬＥＤ１０では、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１３を異なる層として表しているが、これらの層を同じ組成の窒化物半導体層で構成してもよいし、更には、不純物のドーピング態様を含めて、連続したひとつの層（ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１３とを兼用した層ともいえる）としてもよい。
例えば、ｎ型コンタクト層１２の組成はＧａＮに限定されるものではないが、ｎ側電極Ｐ１１との接触抵抗の低下、ｎ型コンタクト層内での電子移動度の向上、上方に成長される活性層１４その他の窒化物半導体層の品質向上のために、ｎ型コンタクト層１２は高品質の結晶を得やすい２元結晶のＧａＮで形成することが好ましい。
また、ＬＥＤ１０では、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１３を異なる層として表しているが、これらの層を同じ組成の窒化物半導体層で構成してもよいし、更には、不純物のドーピング態様を含めて、連続したひとつの層（ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１３とを兼用した層ともいえる）としてもよい。
ＬＥＤ１０の発光波長は、活性層１４の中で電子と正孔の再結合の場として働く領域を形成する窒化物半導体のバンドギャップにより定まるので、目的とする発光波長に合わせて、該窒化物半導体の組成を定めるようにする。量子井戸構造の活性層においては、井戸層の組成をこのように定める。井戸層はＩｎ（インジウム）を含む窒化物半導体で形成すると、発光効率が高くなり、好ましい。活性層１４の井戸層および／または障壁層への、ｎ型不純物および／またはｐ型不純物のドープは、任意に行い得る。活性層１４は、多重量子井戸構造とすることが発光効率の点で最も好ましいが、これに限定されるものではなく、目的に応じて、単一量子井戸構造としてもよいし、量子井戸構造を採用しないことも任意である。
なお、本発明の窒化物半導体発光素子のひとつの態様として、発光効率の点では好ましくないが、製造が容易な構造として、活性層１４を設けずに、単純なシングルヘテロ型や、ホモ接合型のｐｎ接合構造を採用することもできる。
なお、本発明の窒化物半導体発光素子のひとつの態様として、発光効率の点では好ましくないが、製造が容易な構造として、活性層１４を設けずに、単純なシングルヘテロ型や、ホモ接合型のｐｎ接合構造を採用することもできる。
活性層１４を挟むｎ型クラッド層１３およびｐ型クラッド層１５を構成する各窒化物半導体の組成は、バンドギャップが活性層１４よりも大きくなるように定める。これによって、ダブルヘテロ構造となり、発光効率が高くなる。活性層１４が量子井戸構造の場合には、ｎ型クラッド層１３とｐ型クラッド層１５のバンドギャップが、少なくとも井戸層のバンドギャップよりも大きくなるようにすればよい。ｎ型クラッド層１３とｐ型クラッド層１５のバンドギャップは異なっていてもよく、発光素子の動作電圧をできるだけ低く抑えつつ、活性層１４におけるキャリアの再結合効率を高めるためには、ｐ型クラッド層１５のバンドギャップをｎ型クラッド層１３のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。
ｐ型クラッド層１５の厚さは、活性層１４にキャリアを効果的に閉じ込めるためには、１０ｎｍ以上とすることが好ましく、３０ｎｍ以上とすることがより好ましい。ｐ型クラッド層１５の厚さが２００ｎｍを超えると、キャリア閉じ込め効果は大きく変化しなくなる一方、成長時間が長くなることによって活性層１４の劣化（ＩｎＧａＮの熱分解やｐ型クラッド層１５から活性層１４へのｐ型不純物の拡散）を引き起こし易くなるので、ｐ型クラッド層１５の厚さは２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
ｐ型クラッド層１５にドープされるｐ型不純物の濃度は、ｐ型クラッド層を形成するｐ型窒化物半導体の導電性が最良となる範囲に設定することが好ましい。従って、ｐ型不純物がＭｇの場合には、Ｍｇの濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲とすることが好ましく、５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲とすることがより好ましく、５×１０１８ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３の範囲とすることが更に好ましい。
ｐ型クラッド層にドープするｐ型不純物の濃度をこのような範囲に抑えると、結晶品質の低下も抑制されるために、転位等の欠陥そのものに起因したり、あるいは、欠陥に沿ってｐ型不純物が拡散することに起因する、耐電圧特性やリーク電流特性の劣化や、その他発光効率の低下や特性の不安定化といった問題が軽減される。
ｐ型クラッド層１５にドープされるｐ型不純物の濃度は、ｐ型クラッド層を形成するｐ型窒化物半導体の導電性が最良となる範囲に設定することが好ましい。従って、ｐ型不純物がＭｇの場合には、Ｍｇの濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲とすることが好ましく、５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲とすることがより好ましく、５×１０１８ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３の範囲とすることが更に好ましい。
ｐ型クラッド層にドープするｐ型不純物の濃度をこのような範囲に抑えると、結晶品質の低下も抑制されるために、転位等の欠陥そのものに起因したり、あるいは、欠陥に沿ってｐ型不純物が拡散することに起因する、耐電圧特性やリーク電流特性の劣化や、その他発光効率の低下や特性の不安定化といった問題が軽減される。
ｎ型クラッド層１３とｐ型クラッド層１５は、一様な構造としてもよいが、不純物濃度および／または窒化物半導体組成を厚さ方向に変化させて、２層以上の多層構造としてもよく、また、濃度傾斜領域および／または組成傾斜領域を含むように形成してもよい。
例えば、ＬＤなどの場合に、ｎ型クラッド層１３および／またはｐ型クラッド層１５を、活性層１４に近い領域では屈折率が相対的に高くなるようにして、活性層１４側への光閉じ込め効果が生じるようにしたり、活性層１４に近い領域ではバンドギャップが相対的に小さくなるようにして、活性層１４側へのキャリア閉じ込め効果が発生するようにすることができる。
一方、ＬＥＤの場合は、ｐ型クラッド層１５に関し、活性層１４に近い領域はバンドギャップを相対的に大きくして活性層１４へのキャリア閉じ込め効果を高くし、ｐ側コンタクト層１６に近い領域はバンドギャップが相対的に小さくなるようにして、ｐ型不純物が活性化され易くなるようにしてもよい。ｐ型不純物が活性化され易いと、ドープしたｐ型不純物の濃度が同じでも多数の正孔が生じて導電性が高くなり、ｐ側電極Ｐ１２から注入された正孔が拡散し易くなる。前述のように、ｐ型不純物としてＭｇをドープした窒化物半導体は、Ｍｇが深い不純物準位を形成するために、活性層１４で発生される光を吸収する傾向を持つが（この傾向は、発光波長が４２０ｎｍ以下で特に顕著となる）、この現象が発光効率に与える悪影響を軽減するうえで、この多層構造は有効である。
また、ｐ型クラッド層１５の他の態様として、活性層１４に近い領域ではＭｇの濃度を相対的に低くして、活性層１４で発生される光の吸収を抑制する一方、ｐ側コンタクト層１６に近い領域はＭｇ濃度を相対的に高くすることによって導電性を高めるようにしてもよい。
例えば、ＬＤなどの場合に、ｎ型クラッド層１３および／またはｐ型クラッド層１５を、活性層１４に近い領域では屈折率が相対的に高くなるようにして、活性層１４側への光閉じ込め効果が生じるようにしたり、活性層１４に近い領域ではバンドギャップが相対的に小さくなるようにして、活性層１４側へのキャリア閉じ込め効果が発生するようにすることができる。
一方、ＬＥＤの場合は、ｐ型クラッド層１５に関し、活性層１４に近い領域はバンドギャップを相対的に大きくして活性層１４へのキャリア閉じ込め効果を高くし、ｐ側コンタクト層１６に近い領域はバンドギャップが相対的に小さくなるようにして、ｐ型不純物が活性化され易くなるようにしてもよい。ｐ型不純物が活性化され易いと、ドープしたｐ型不純物の濃度が同じでも多数の正孔が生じて導電性が高くなり、ｐ側電極Ｐ１２から注入された正孔が拡散し易くなる。前述のように、ｐ型不純物としてＭｇをドープした窒化物半導体は、Ｍｇが深い不純物準位を形成するために、活性層１４で発生される光を吸収する傾向を持つが（この傾向は、発光波長が４２０ｎｍ以下で特に顕著となる）、この現象が発光効率に与える悪影響を軽減するうえで、この多層構造は有効である。
また、ｐ型クラッド層１５の他の態様として、活性層１４に近い領域ではＭｇの濃度を相対的に低くして、活性層１４で発生される光の吸収を抑制する一方、ｐ側コンタクト層１６に近い領域はＭｇ濃度を相対的に高くすることによって導電性を高めるようにしてもよい。
活性層１４とｎ型クラッド層１３との間、活性層１４とｐ型クラッド層１５との間には、各種の機能を有する窒化物半導体層を追加的に挿入してもよい。
例えば、活性層１４とｐ型クラッド層１５の間に、ｐ型クラッド層１５にドープされたＭｇが活性層１４に拡散することを抑制するためのＭｇ拡散防止層を設けることができる。Ｍｇ拡散防止層としては、アンドープ層、ｎ型不純物ドープ層、多層膜（超格子層）等が例示される。
ＬＤの場合には、キャリアを活性層に高密度に閉じ込める必要があることから、活性層とクラッド層との間に、クラッド層よりもバンドギャップが大きく、かつ、クラッド層から活性層に注入されるキャリアがトンネリングできる程度に薄いキャップ層を設けてもよい。
例えば、活性層１４とｐ型クラッド層１５の間に、ｐ型クラッド層１５にドープされたＭｇが活性層１４に拡散することを抑制するためのＭｇ拡散防止層を設けることができる。Ｍｇ拡散防止層としては、アンドープ層、ｎ型不純物ドープ層、多層膜（超格子層）等が例示される。
ＬＤの場合には、キャリアを活性層に高密度に閉じ込める必要があることから、活性層とクラッド層との間に、クラッド層よりもバンドギャップが大きく、かつ、クラッド層から活性層に注入されるキャリアがトンネリングできる程度に薄いキャップ層を設けてもよい。
ｐ側コンタクト層１６を形成する窒化物半導体は、ｎ型伝導性であれば、アンドープであってもよいし、ｎ型不純物をドープしたものでもよく、窒化物半導体の組成にも限定はないが、トンネリング障壁を低くするためには、厚さは薄い方が好ましく、電子濃度は高い方が好ましく、バンドギャップは小さい方が好ましい。
従って、ｐ側コンタクト層１６の厚さは、好ましくは１５ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは５ｎｍ以下である。厚さが１ｎｍより薄いと、膜が島状となって、ｐ型クラッド層の表面が露出した部分が残り、接触抵抗が大きくなる傾向がある。
ｐ側コンタクト層１６の好ましい電子濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であり、３×１０１８ｃｍ−３以上とするとより好ましく、５×１０１８ｃｍ−３以上とすると更に好ましい。結晶品質の良好な窒化物半導体は、アンドープのときの電子濃度が低いため、１×１０１８ｃｍ−３以上の電子濃度を得るためにはｎ型不純物をドープすることが好ましく、その場合のｎ型不純物としては、導電性の制御が容易なＳｉが最も好ましい。電子濃度の上限は特にないが、ｎ型不純物の濃度が過剰となると結晶品質が低下し、ｐ側電極Ｐ１２との密着性の低下等により接触抵抗が高くなる傾向がある。従って、ｐ側コンタクト層１６の好ましい電子濃度は１×１０２０ｃｍ−３以下であり、より好ましくは２×１０１９ｃｍ−３以下である。
ｐ側コンタクト層１６の好ましい組成は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＮである。
従って、ｐ側コンタクト層１６の厚さは、好ましくは１５ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは５ｎｍ以下である。厚さが１ｎｍより薄いと、膜が島状となって、ｐ型クラッド層の表面が露出した部分が残り、接触抵抗が大きくなる傾向がある。
ｐ側コンタクト層１６の好ましい電子濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であり、３×１０１８ｃｍ−３以上とするとより好ましく、５×１０１８ｃｍ−３以上とすると更に好ましい。結晶品質の良好な窒化物半導体は、アンドープのときの電子濃度が低いため、１×１０１８ｃｍ−３以上の電子濃度を得るためにはｎ型不純物をドープすることが好ましく、その場合のｎ型不純物としては、導電性の制御が容易なＳｉが最も好ましい。電子濃度の上限は特にないが、ｎ型不純物の濃度が過剰となると結晶品質が低下し、ｐ側電極Ｐ１２との密着性の低下等により接触抵抗が高くなる傾向がある。従って、ｐ側コンタクト層１６の好ましい電子濃度は１×１０２０ｃｍ−３以下であり、より好ましくは２×１０１９ｃｍ−３以下である。
ｐ側コンタクト層１６の好ましい組成は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＩｎＮである。
ｐ型コンタクト層１６の厚さを上記のように薄くすることに伴う効果として、活性層１４を成長した後、その上に積層する窒化物半導体層の成長時間を短くできることが挙げられる。この成長時間を短かくすると、活性層１４の劣化の問題が緩和されるために好ましいことは、前述の通りである。
ｐ側コンタクト層１６は平坦な表面を有する層状に形成してもよいが、島状あるいは網目状の膜が形成される成長条件を用いて、表面が凹凸状を呈すように成長してもよい。ｐ側コンタクト層１６の表面を凹凸状に形成すると、ｐ側電極Ｐ１２とｐ側コンタクト層１６との接触面積が大きくなり、接触抵抗を低下させることができる。また、凹凸形状は光散乱効果を発生させるために、特にＬＥＤの場合に、光取り出し効率を改善するうえで好ましい。
ｐ型コンタクト層１６を島状または網目状に成長するには、層状成長よりも３次元的成長が優勢となる窒化物半導体の結晶成長条件を用いればよい。かかる成長条件は公知であり、定性的には、成長温度が低い程、成長雰囲気中の水素濃度が低い程、窒化物半導体の組成中のＡｌが多い程、３次元的成長が促進される。また、成長の下地面となる窒化物半導体層表面に対してシラン、テトラエチルシラン等のＳｉ化合物を作用させて、層状成長を生じ難くする方法も用い得る。また、ｐ型コンタクト層１６を自発的に島状または網目状に成長させる以外に、層状に成長した後で選択的エッチングを行う方法や、成長の下地面に開口部を有するマスクを形成し、該開口部から選択成長させる方法によって、ｐ型コンタクト層１６の表面を凹凸状に形成してもよい。このような、窒化物半導体層の表面を凹凸状にする方法については、特開２００３−２７７１９６号公報、特開２００４−２００４３１号公報、特開２００４−１９３６１９号公報、特開２００４−２００５２３号公報等を参照することができる。
ｐ型コンタクト層１６を島状または網目状に成長するには、層状成長よりも３次元的成長が優勢となる窒化物半導体の結晶成長条件を用いればよい。かかる成長条件は公知であり、定性的には、成長温度が低い程、成長雰囲気中の水素濃度が低い程、窒化物半導体の組成中のＡｌが多い程、３次元的成長が促進される。また、成長の下地面となる窒化物半導体層表面に対してシラン、テトラエチルシラン等のＳｉ化合物を作用させて、層状成長を生じ難くする方法も用い得る。また、ｐ型コンタクト層１６を自発的に島状または網目状に成長させる以外に、層状に成長した後で選択的エッチングを行う方法や、成長の下地面に開口部を有するマスクを形成し、該開口部から選択成長させる方法によって、ｐ型コンタクト層１６の表面を凹凸状に形成してもよい。このような、窒化物半導体層の表面を凹凸状にする方法については、特開２００３−２７７１９６号公報、特開２００４−２００４３１号公報、特開２００４−１９３６１９号公報、特開２００４−２００５２３号公報等を参照することができる。
ｐ側電極Ｐ１２は、少なくともｐ側コンタクト層１６と接する部分を、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属で形成すればよく、単層構造としてもよいし、多層膜構造としてもよい。
ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ並びに、これらの金属を主成分とする合金が例示される。特に、Ａｌや、Ａｌを主成分とするＡｌ合金は、窒化物半導体発光素子の典型的な発光波長である可視短波長（緑色）〜近紫外波長域における反射率が高いため、電極膜を金属光沢が生じる厚さに形成した反射性電極の材料として好適に用い得る。
ｐ側電極Ｐ１２から、ｐ側コンタクト層１６を経由してｐ型クラッド層１５に注入された正孔は、導電性の低いｐ型クラッド層内では、層面内方向に殆ど拡散しないために、活性層１４における発光は、実質的に、活性層１４の中でもｐ側電極Ｐ１２の直下の領域でしか生じない。従って、活性層１４の発光領域面積を広くするために、ｐ側電極１２をｐ型コンタクト層１６の表面に広げて形成することが好ましい。
ｐ側電極Ｐ１２の形成にあたっては、従来のオーミック電極と同様に、電極膜を蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法で形成した後、電極膜とｎ型窒化物半導体層との接触抵抗を低下させるために、３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。
ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ並びに、これらの金属を主成分とする合金が例示される。特に、Ａｌや、Ａｌを主成分とするＡｌ合金は、窒化物半導体発光素子の典型的な発光波長である可視短波長（緑色）〜近紫外波長域における反射率が高いため、電極膜を金属光沢が生じる厚さに形成した反射性電極の材料として好適に用い得る。
ｐ側電極Ｐ１２から、ｐ側コンタクト層１６を経由してｐ型クラッド層１５に注入された正孔は、導電性の低いｐ型クラッド層内では、層面内方向に殆ど拡散しないために、活性層１４における発光は、実質的に、活性層１４の中でもｐ側電極Ｐ１２の直下の領域でしか生じない。従って、活性層１４の発光領域面積を広くするために、ｐ側電極１２をｐ型コンタクト層１６の表面に広げて形成することが好ましい。
ｐ側電極Ｐ１２の形成にあたっては、従来のオーミック電極と同様に、電極膜を蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法で形成した後、電極膜とｎ型窒化物半導体層との接触抵抗を低下させるために、３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。
ＬＥＤ１０において、活性層１４で発生する光を、ｐ側電極Ｐ１２を通して素子外部に取り出す構成を採用する場合には、ｐ側電極Ｐ１２を透光性電極とする必要がある。透光性電極には、大きく分けて、電極膜自体が透明性を有する透明電極と、金属光沢を示す厚さを有する反射性電極が開口部（電極膜が形成されず、ｐ側コンタクト層１６が露出した部分）を有するパターンに形成された開口電極とがあるが、ｐ側電極Ｐ１２はこれらのいずれとしてもよい。なお、透明電極を、開口部を有するパターンに形成した電極を用いることも、妨げられない。
ｐ側電極Ｐ１２を透明電極とする場合には、金属材料からなる電極膜が、島状または網目状構造となるように形成する。そのためには、電極膜の製膜時の基板温度にもよるが、電極膜の厚さを１０ｎｍより薄くすることが好ましい。製膜時の基板温度は低温とする方が好ましい。
ｐ側電極Ｐ１２を透明電極とした場合、その導電性を補うために、その上にＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）等からなる透明導電膜を積層してもよい。
ｐ側電極Ｐ１２を透明電極とした場合、その導電性を補うために、その上にＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）等からなる透明導電膜を積層してもよい。
ｐ側電極Ｐ１２を反射性電極とするには、製膜時の基板温度にもよるが、電極膜の厚さを１０ｎｍ以上とすることが好ましい。反射性電極の電極膜の厚さに特に上限はないが、２０００ｎｍ以上に厚く形成する必要性はない。
ｐ側電極Ｐ１２を開口電極とする場合、そのパターンに限定はないが、電極部と開口部が面内に均等に分布するように形成することが好ましく、電極部および／または開口部が網目状（格子形を含む）、分岐状（櫛形を含む）、渦巻き状、ミアンダ状等を呈するパターンが例示される。電極部が開口部に取り囲まれて孤立したパターンを含む場合には、孤立した電極部にも給電されるように、更に上からＩＴＯ等からなる透明導電膜を積層すればよい。
これらのパターンにおいて、電極部や開口部が線状となる場合は、その幅を１μｍ〜５０μｍとすることが好ましい。電極部や開口部が円形状や多角形状となる場合には、その差し渡しを１μｍ〜５０μｍにすることが好ましい。
電極が形成された領域の全体（電極部と開口部とを合わせた全体）に占める開口部の面積比は、５０％〜８０％とすることが、光取り出し効率の点で好ましい。
活性層１４で発生する光の一部は、電極膜で反射を受けた後、開口部に到達して外部に出射されるので、開口電極の材料には反射性の良好なＡｌまたはＡｌ合金を用いることが好ましい。
また、開口電極においても、電極の導電性を補う目的で、更にＩＴＯ等からなる透明導電膜を積層したり、あるいは、開口部に上記の透明電極を形成することができる。
これらのパターンにおいて、電極部や開口部が線状となる場合は、その幅を１μｍ〜５０μｍとすることが好ましい。電極部や開口部が円形状や多角形状となる場合には、その差し渡しを１μｍ〜５０μｍにすることが好ましい。
電極が形成された領域の全体（電極部と開口部とを合わせた全体）に占める開口部の面積比は、５０％〜８０％とすることが、光取り出し効率の点で好ましい。
活性層１４で発生する光の一部は、電極膜で反射を受けた後、開口部に到達して外部に出射されるので、開口電極の材料には反射性の良好なＡｌまたはＡｌ合金を用いることが好ましい。
また、開口電極においても、電極の導電性を補う目的で、更にＩＴＯ等からなる透明導電膜を積層したり、あるいは、開口部に上記の透明電極を形成することができる。
ＬＥＤ１０において、活性層１４で発生する光を基板側から素子外部に取り出す構成を採用する場合には、ｐ側電極Ｐ１２を反射性電極とすることが好ましく、材料としては、反射性の良好なＡｌまたはＡｌ合金を用いることが好ましい。
ＬＤの場合は、光出射面が端面となるために、電極の反射性を高くする必要性はないが、電極膜の厚さは、導電性が十分となる厚さとする。
ＬＤの場合は、光出射面が端面となるために、電極の反射性を高くする必要性はないが、電極膜の厚さは、導電性が十分となる厚さとする。
ｐ側電極Ｐ１２を多層膜構造とする場合、図２に示すように、表面層Ｐ１２１、バリア層Ｐ１２２、最下層Ｐ１２３という、３種類の層からなる構造とすることが好ましい。
表面層Ｐ１２１は、Ａｕからなる層とすることが好ましい。表面層Ｐ１２１をＡｕで形成すると、ワイヤボンディング用にＡｕからなるパッド電極をｐ側電極Ｐ１２上に形成するときのパッド電極の接合性や、フリップチップボンディング時や支持基板との接合時に用いられるＡｕ系のろう材（Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ共晶ハンダ等）との濡れ性が良好となる他、耐食性に優れるために電極全体の化学的な保護層となる。
ｐ側電極Ｐ１２を多層膜構造とする態様において、ｐ側コンタクト層と接する部分である最下層Ｐ１２３をＡｌまたはＡｌ合金で形成すると、接触抵抗を低下させるための熱処理時に表面層のＡｕがＡｌ層に拡散して合金化し、ｐ側コンタクト層との接触抵抗が逆に上昇する問題が生じるので、これを抑制するために、Ａｌ（合金）層とＡｕ層との間に、Ａｕよりも高融点の金属からなるバリア層Ｐ１２２を介在させることが好ましい。バリア層に用いることのできる金属としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎｂ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ、Ｉｒ（イリジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｉ等の単体または合金が例示される。バリア層は上記金属からなる単層膜または多層膜とすることができる。バリア層を、上記Ａｕより高融点の金属からなる層とＡｕ層とを交互に積層した多層膜としてもよく、例えば、Ｐｔ層とＡｕ層とを交互に積層した多層膜が好ましいバリア層の態様として挙げられる。
ｐ側電極Ｐ１２を多層膜構造とする態様において、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる最下層Ｐ１２３の厚さは、１ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。オーミック接触性や光反射性の点からは、最下層Ｐ１２３を単独で金属光沢を有する厚さに形成することが好ましいため、最下層Ｐ１２３の好ましい厚さは１０ｎｍ以上である。バリア層の好ましい厚さは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。表面層とするＡｕ層の好ましい厚さは、５０ｎｍ〜２０００ｎｍである。
表面層Ｐ１２１は、Ａｕからなる層とすることが好ましい。表面層Ｐ１２１をＡｕで形成すると、ワイヤボンディング用にＡｕからなるパッド電極をｐ側電極Ｐ１２上に形成するときのパッド電極の接合性や、フリップチップボンディング時や支持基板との接合時に用いられるＡｕ系のろう材（Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ共晶ハンダ等）との濡れ性が良好となる他、耐食性に優れるために電極全体の化学的な保護層となる。
ｐ側電極Ｐ１２を多層膜構造とする態様において、ｐ側コンタクト層と接する部分である最下層Ｐ１２３をＡｌまたはＡｌ合金で形成すると、接触抵抗を低下させるための熱処理時に表面層のＡｕがＡｌ層に拡散して合金化し、ｐ側コンタクト層との接触抵抗が逆に上昇する問題が生じるので、これを抑制するために、Ａｌ（合金）層とＡｕ層との間に、Ａｕよりも高融点の金属からなるバリア層Ｐ１２２を介在させることが好ましい。バリア層に用いることのできる金属としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎｂ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ、Ｉｒ（イリジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｉ等の単体または合金が例示される。バリア層は上記金属からなる単層膜または多層膜とすることができる。バリア層を、上記Ａｕより高融点の金属からなる層とＡｕ層とを交互に積層した多層膜としてもよく、例えば、Ｐｔ層とＡｕ層とを交互に積層した多層膜が好ましいバリア層の態様として挙げられる。
ｐ側電極Ｐ１２を多層膜構造とする態様において、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる最下層Ｐ１２３の厚さは、１ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。オーミック接触性や光反射性の点からは、最下層Ｐ１２３を単独で金属光沢を有する厚さに形成することが好ましいため、最下層Ｐ１２３の好ましい厚さは１０ｎｍ以上である。バリア層の好ましい厚さは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。表面層とするＡｕ層の好ましい厚さは、５０ｎｍ〜２０００ｎｍである。
ｐ側電極Ｐ１２の全体、または多層膜構造としたときの最下層Ｐ１２３をＡｌで形成すると、Ａｌと窒化物半導体との熱膨張係数差が大きいために、接触抵抗を低下させるための熱処理時に電極膜が変形を生じ易い傾向がある。これを抑制するためには、純ＡｌよりもＡｌ合金を用いることが好ましく、また、Ａｌ（合金）層の厚さを７０ｎｍ以下とすることが好ましい。
好ましいＡｌ合金としては、Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｎｄ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金等が例示される。合金膜は、各成分金属の単体からなる膜を積層して熱処理を行う方法や、合金スパッタリングによって得ることができる。Ａｌ／Ｔｉ積層膜では、３００℃〜５００℃の熱処理によって、Ａｌ−Ｔｉ合金が生成される。
好ましいＡｌ合金としては、Ａｌ−Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｎｄ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金等が例示される。合金膜は、各成分金属の単体からなる膜を積層して熱処理を行う方法や、合金スパッタリングによって得ることができる。Ａｌ／Ｔｉ積層膜では、３００℃〜５００℃の熱処理によって、Ａｌ−Ｔｉ合金が生成される。
ｎ側電極Ｐ１１には、ｎ型コンタクト層１２とオーミック接触する公知の電極を適宜採用し得る。ｐ側電極Ｐ１２と同様の材料、構成を採用することもでき、その場合、製造の際にｎ側電極Ｐ１１とｐ側電極Ｐ１２を同時に形成することができるために工程数が削減できる他、フォトリソグラフィによる電極形状のパターニングに用いるフォトマスクの種類も減らすことができる。
図３は、本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ２０の断面構造を示す模式図である。このＬＥＤ２０は、導電性の支持基板２８を有しており、その支持基板２８の上に導電性接着層２７、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなるｐ側電極Ｐ２２、ｎ型窒化物半導体からなるｐ側コンタクト層２６、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層２５、窒化物半導体からなる活性層２４、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層２３、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層２２が順に積層されている。ｎ型コンタクト層２２の表面には、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなるｎ側電極Ｐ２１が形成されている。
ＬＥＤ２０は、ｎ側電極Ｐ２１とｐ側電極Ｐ２２とが、活性層２４を含む窒化物半導体の積層体を挟んで向かい合う対向電極構造となっている。ｐ側電極Ｐ２２への給電は、導電性の支持基板２８および導電性接着層２７を介して行われる。図３では、支持基板２８に給電するための電極の図示を省略している。
ｎ型窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層２２は導電性が比較的高いために、上面形状が方形のチップを例にすると、サイズが３００μｍ〜５００μｍ角程度であれば、ｎ側電極Ｐ２１をｎ型コンタクト層２２の表面全体に広げて設ける必要がなく、その面積を小さくできる。そのため、活性層２４で発生される光をｎ型コンタクト層２６を通して素子外部に取り出す構成が、光取り出し効率の点で有利な構成となる。このとき、ｐ側電極Ｐ２２をＡｌまたはＡｌ合金からなる反射性電極としたり、ｎ型コンタクト層２６の表面にエッチング等の方法によって光散乱効果を有する凹凸を形成すると、更に光取り出し効率を向上させることができる。
一方、チップのサイズが５００μｍ角を越えると、ｎ型コンタクト層２６の中で電流が一様に広がり難くなり、活性層の発光強度に面内ムラが生じる傾向がある。しかし、ｎ型コンタクト層２６の導電性を高くしようとして、その厚さを厚くすると、基板の種類や厚さにもよるが、窒化物半導体と基板との熱膨張係数差によってウエハが著しく反るために、後述の方法により製造することが困難となる。従って、５００μｍ角を越える大サイズのチップでのこの問題を解決するには、ｎ側電極Ｐ２１を前述の透光性電極とし、ｎ型コンタクト層の表面に広がるように形成することが好ましい。
ＬＥＤ２０は、次の工程により製造される。
［窒化物半導体層の成長（工程１）］
図４（ａ）に示すように、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能な成長用基板２１の上に、必要に応じてバッファ層（図示せず）を介し、ｎ型コンタクト層２２、ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５、ｐ側コンタクト層２６を、順に成長する。
［窒化物半導体層の成長（工程１）］
図４（ａ）に示すように、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能な成長用基板２１の上に、必要に応じてバッファ層（図示せず）を介し、ｎ型コンタクト層２２、ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５、ｐ側コンタクト層２６を、順に成長する。
［ｐ電極の形成（工程２）］
図４（ｂ）に示すように、ｐ側コンタクト層２６の表面に、ｎ型窒化物半導体層とオーミック接触する金属からなるｐ側電極Ｐ２２を形成する。
以上の工程１および工程２においては、ＬＥＤ１０を作製する場合と同様の方法を用いることができる。
図４（ｂ）に示すように、ｐ側コンタクト層２６の表面に、ｎ型窒化物半導体層とオーミック接触する金属からなるｐ側電極Ｐ２２を形成する。
以上の工程１および工程２においては、ＬＥＤ１０を作製する場合と同様の方法を用いることができる。
［支持基板の接合（工程３）］
図４（ｃ）に示すように、ｐ側電極Ｐ２２の上に、導電性接着層２７を介して、支持基板２８を接合する。
導電性の支持基板としては、Ｃｕ−Ｗ基板、Ｃｕ−Ｍｏ基板、ＡｌＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板等が例示される。
導電性接着層２７の材料は、ｐ側電極Ｐ２２と支持基板２８とを接合できる材料であればよく、Ｉｎ、Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ共晶ハンダ等のろう材、銀ペースト等の導電性接着剤が例示される。
ろう材を用いる場合には、ろう材と支持基板２８との接着性を高めるための金属層（Ｔｉ層、Ａｕ層等）を支持基板２８の表面に形成したり、ろう材がｐ側電極Ｐ２２を構成するＡｌ層と合金化して、ｐ側電極Ｐ２２とｐ側コンタクト層２６との接触抵抗が上昇するのを抑制するために、ｐ側電極Ｐ２２に含まれるＡｌ層とろう材の接触を妨げるバリア層として、使用するろう材よりも高融点の金属からなる層を設けてもよい。
ＡｕやＡｕ−Ｓｎ共晶ハンダをろう材として用いる場合には、ｐ側電極Ｐ２２の表面層をＡｕ層とすると濡れ性がよく、接着性が良好となる。そのため、前述の、Ａｕからなる表面層と、バリア層と、Ａｌ（合金）からなる最下層とを含む多層膜構造のｐ型電極Ｐ２２は、この態様においても好ましい。
図４（ｃ）に示すように、ｐ側電極Ｐ２２の上に、導電性接着層２７を介して、支持基板２８を接合する。
導電性の支持基板としては、Ｃｕ−Ｗ基板、Ｃｕ−Ｍｏ基板、ＡｌＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板等が例示される。
導電性接着層２７の材料は、ｐ側電極Ｐ２２と支持基板２８とを接合できる材料であればよく、Ｉｎ、Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ共晶ハンダ等のろう材、銀ペースト等の導電性接着剤が例示される。
ろう材を用いる場合には、ろう材と支持基板２８との接着性を高めるための金属層（Ｔｉ層、Ａｕ層等）を支持基板２８の表面に形成したり、ろう材がｐ側電極Ｐ２２を構成するＡｌ層と合金化して、ｐ側電極Ｐ２２とｐ側コンタクト層２６との接触抵抗が上昇するのを抑制するために、ｐ側電極Ｐ２２に含まれるＡｌ層とろう材の接触を妨げるバリア層として、使用するろう材よりも高融点の金属からなる層を設けてもよい。
ＡｕやＡｕ−Ｓｎ共晶ハンダをろう材として用いる場合には、ｐ側電極Ｐ２２の表面層をＡｕ層とすると濡れ性がよく、接着性が良好となる。そのため、前述の、Ａｕからなる表面層と、バリア層と、Ａｌ（合金）からなる最下層とを含む多層膜構造のｐ型電極Ｐ２２は、この態様においても好ましい。
［成長用基板の除去（工程４）］
図４（ｄ）に示すように、成長用基板２１を除去する。除去の方法としては、例えば、次の方法が挙げられる。
（ア）研削および／または研磨によって成長用基板２１を摩滅させる。
（イ）エッチングによって成長用基板２１を分解または溶解する。
（ウ）窒化物半導体層を成長させるときに、成長用基板２１および窒化物半導体と異なる材料からなるバッファ層を、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との間に形成しておき、そのバッファ層をエッチングにより分解または溶解することにより、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との界面で剥離を生ぜしめる。
（エ）レーザ光の照射によって、成長用基板２１に接するｎ型コンタクト層２２の表面を分解し、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との界面で剥離を生ぜしめる。
上記（ア）の方法については特開２０００−２７７８０４号公報等、上記（イ）の方法については特開２００３−３０９２８９号公報等、上記（ウ）の方法については特開平１１−３５３９７号公報等、上記（エ）の方法については、特開２００４−８７７７５号公報等を参照することができる。
図４（ｄ）に示すように、成長用基板２１を除去する。除去の方法としては、例えば、次の方法が挙げられる。
（ア）研削および／または研磨によって成長用基板２１を摩滅させる。
（イ）エッチングによって成長用基板２１を分解または溶解する。
（ウ）窒化物半導体層を成長させるときに、成長用基板２１および窒化物半導体と異なる材料からなるバッファ層を、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との間に形成しておき、そのバッファ層をエッチングにより分解または溶解することにより、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との界面で剥離を生ぜしめる。
（エ）レーザ光の照射によって、成長用基板２１に接するｎ型コンタクト層２２の表面を分解し、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との界面で剥離を生ぜしめる。
上記（ア）の方法については特開２０００−２７７８０４号公報等、上記（イ）の方法については特開２００３−３０９２８９号公報等、上記（ウ）の方法については特開平１１−３５３９７号公報等、上記（エ）の方法については、特開２００４−８７７７５号公報等を参照することができる。
［ｎ側電極の形成（工程５）］
図４（ｅ）に示すように、上記工程４で露出されたｎ型コンタクト層２２の表面にｎ側電極Ｐ２１を形成する。なお、ｎ側電極Ｐ２１を形成する前に、必要に応じて、研磨やエッチングによりｎ型コンタクト層２２の表面を平坦化したり、該表面に付着または残留する異物の除去を行う。
図４（ｅ）に示すように、上記工程４で露出されたｎ型コンタクト層２２の表面にｎ側電極Ｐ２１を形成する。なお、ｎ側電極Ｐ２１を形成する前に、必要に応じて、研磨やエッチングによりｎ型コンタクト層２２の表面を平坦化したり、該表面に付着または残留する異物の除去を行う。
上記工程１において、成長用基板２１とｎ型コンタクト層２２との間に、ｎ型コンタクト層２２およびその上に成長する層の結晶品質を良くするために、アンドープＧａＮ層や歪超格子層を形成してもよい。その場合には、上記工程３で成長用基板２１を除去した後、研削、研磨、エッチング等によってこれらアンドープＧａＮ層や歪超格子層の全部または一部を除去してｎ型コンタクト層２２を露出させたうえで、ｎ側電極Ｐ２１の形成を行う。
上記工程３に代わる態様として、ｐ側電極Ｐ２２を陰極として電解メッキを行ったり、あるいは、蒸着、無電解メッキ、ＣＶＤ、スパッタ等の方法を用いて、ｐ側電極Ｐ２２の表面上に厚さ１０μｍ以上の金属膜を形成し、該金属膜を支持基板２８としてもよい。この方法については、特開２００４−４７７０４号公報、特開２００４−８８０８３号公報等を参照することができる。
上記工程３で支持基板２１の代わりに一時的保持材をｐ側電極Ｐ２２に接合し、更に、工程５でｎ側電極Ｐ２１をｎ型コンタクト層２２の全面に形成するとともに、そのｎ型コンタクト層に導電性接着層２７を介して支持基板２８を接着し、最後に上記一時的保持材を除去してもよい。この方法により得られるＬＥＤ３０の構造を図５に示す。
［実施例１］
直径２インチのＣ面サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、表面のサーマルクリーニングを行った。その後、温度を３３０℃まで下げ、３族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、５族原料としてアンモニアを用いて、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させた。なお、このＡｌＧａＮ低温バッファ層の成長以降、窒化物半導体層の成長時にはサブフローガスとしてＭＯＶＰＥ装置内に窒素ガスを供給し、３族原料および５族原料のキャリアガスには水素ガスを用いた。続いて１０００℃に昇温し、原料としてＴＭＧ、アンモニアを供給し、アンドープＧａＮ層を２μｍ成長させた後、更にシランを供給し、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層（ｎ型コンタクト層を兼用）を成長させた。続いて、温度を８００℃に低下させた後、Ｓｉ濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ１０ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層（厚さ１０ｎｍ）と、厚さ３ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ井戸層（発光波長３８０ｎｍ）を各６層交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層を形成した。井戸層の成長時にはＩｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。次に、成長温度を１０００℃に昇温して、Ｍｇ原料としてのビス（エチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）、およびＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを供給し、Ｍｇ濃度が８×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＮからなる第一のｐ型クラッド層を３０ｎｍ成長させた。その後、ＴＭＡの供給を停止して、Ｍｇ濃度が８×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる第二のｐ型クラッド層を１５０ｎｍ成長させた。その後、シラン、ＴＭＧ、ＮＨ３を供給し、Ｓｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層を成長させた。ｐ側コンタクト層の成長完了後、加熱を停止するとともに、ＴＭＧ、アンモニアの供給を停止し、窒素雰囲気で室温まで自然放冷した。このようにして発光波長３８０ｎｍの近紫外ＬＥＤ構造が形成されたウエハを得た。
直径２インチのＣ面サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置に装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、表面のサーマルクリーニングを行った。その後、温度を３３０℃まで下げ、３族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、５族原料としてアンモニアを用いて、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させた。なお、このＡｌＧａＮ低温バッファ層の成長以降、窒化物半導体層の成長時にはサブフローガスとしてＭＯＶＰＥ装置内に窒素ガスを供給し、３族原料および５族原料のキャリアガスには水素ガスを用いた。続いて１０００℃に昇温し、原料としてＴＭＧ、アンモニアを供給し、アンドープＧａＮ層を２μｍ成長させた後、更にシランを供給し、ＳｉドープＧａＮからなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層（ｎ型コンタクト層を兼用）を成長させた。続いて、温度を８００℃に低下させた後、Ｓｉ濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ１０ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層（厚さ１０ｎｍ）と、厚さ３ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ井戸層（発光波長３８０ｎｍ）を各６層交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層を形成した。井戸層の成長時にはＩｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。次に、成長温度を１０００℃に昇温して、Ｍｇ原料としてのビス（エチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）、およびＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを供給し、Ｍｇ濃度が８×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＡｌＧａＮからなる第一のｐ型クラッド層を３０ｎｍ成長させた。その後、ＴＭＡの供給を停止して、Ｍｇ濃度が８×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる第二のｐ型クラッド層を１５０ｎｍ成長させた。その後、シラン、ＴＭＧ、ＮＨ３を供給し、Ｓｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層を成長させた。ｐ側コンタクト層の成長完了後、加熱を停止するとともに、ＴＭＧ、アンモニアの供給を停止し、窒素雰囲気で室温まで自然放冷した。このようにして発光波長３８０ｎｍの近紫外ＬＥＤ構造が形成されたウエハを得た。
次に、このウエハの窒化物半導体層を成長させた側から、Ｃｌ２ガスを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法により、ｐ側コンタクト層、第二のｐ型クラッド層、第一のｐ型クラッド層、活性層の一部をエッチング除去し、ｎ型クラッド層を露出させた。
次に、ｐ側コンタクト層表面と、ＲＩＥ法で露出させたｎ型クラッド層の表面に、電子ビーム蒸着法によって、厚さ２０ｎｍのＡｌ層、厚さ５０ｎｍのＰｄ層、厚さ１００ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した３層構造の電極を、同時に形成した。この電極は、金属光沢を有する反射性電極となり、後に行う熱処理によっても金属光沢が失われることはなかった。
ここで、ｐ側コンタクト層表面に設けたｐ側電極は、フォトリソグラフィ技術を用いて格子状パターンに形成した。この格子状パターンは、一辺６μｍの正方形の開口部（ｐ側コンタクト層の表面が露出した部分）が、縦横とも間隔２μｍで正方行列状に配列したパターン、即ち、直交する２方向において、幅２μｍの電極部と、幅６μｍの開口部が交互に繰り返される直交網目状とした。
ここで、ｐ側コンタクト層表面に設けたｐ側電極は、フォトリソグラフィ技術を用いて格子状パターンに形成した。この格子状パターンは、一辺６μｍの正方形の開口部（ｐ側コンタクト層の表面が露出した部分）が、縦横とも間隔２μｍで正方行列状に配列したパターン、即ち、直交する２方向において、幅２μｍの電極部と、幅６μｍの開口部が交互に繰り返される直交網目状とした。
続いて、ｐ側電極の上に、電子ビーム蒸着法により、厚さ３０ｎｍのＴｉ層、厚さ３００ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した、ワイヤボンディング用のパッド電極を形成した。その後、ＲＴＡ（ラピッドサーマルアニール）装置を用いて、このウエハに５００℃×５分間の熱処理を施した。最後に、サファイア基板の裏面を厚さ９０μｍとなるまで研磨し、通常のスクライビングおよびブレーキングによって素子分離を行い、３５０ｍｍ角のＬＥＤチップを得た。
上記手順で作製したＬＥＤチップをステム台にダイボンドした後、ワイヤボンディングにより通電可能な状態とし、素子特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
［比較例１］
実施例１において、ｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層に代えて、Ｍｇ濃度が５×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成するとともに、ｐ側電極を厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ１５０ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した２層構造とする以外、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価した。なお、このＮｉ／Ａｕ電極も、金属光沢を有する反射性電極となった。
評価の結果、発光中心波長３８０ｎｍ、出力３．２ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．２Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
比較例２のＬＥＤチップは、順方向電圧が実施例１のＬＥＤチップと同レベルであったが、出力が実施例１のＬＥＤチップと比較して低下した。その理由は、Ｍｇ濃度が高いｐ型コンタクト層の光吸収が大きいことと、ｐ側電極として用いたＮｉ／Ａｕ電極の近紫外波長域における光反射性がＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ電極より低いためであると考えられる。
実施例１において、ｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層に代えて、Ｍｇ濃度が５×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成するとともに、ｐ側電極を厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ１５０ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した２層構造とする以外、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価した。なお、このＮｉ／Ａｕ電極も、金属光沢を有する反射性電極となった。
評価の結果、発光中心波長３８０ｎｍ、出力３．２ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．２Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
比較例２のＬＥＤチップは、順方向電圧が実施例１のＬＥＤチップと同レベルであったが、出力が実施例１のＬＥＤチップと比較して低下した。その理由は、Ｍｇ濃度が高いｐ型コンタクト層の光吸収が大きいことと、ｐ側電極として用いたＮｉ／Ａｕ電極の近紫外波長域における光反射性がＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ電極より低いためであると考えられる。
［実施例２］
実施例１において、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度を１×１０１９ｃｍ−３とする以外は、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４．８ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例２のＬＥＤチップは、順方向電圧が実施例１のＬＥＤチップよりも僅かに増加し、出力は実施例１のＬＥＤチップと比較して向上した。その理由は、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度を低くしたことにより、Ｍｇドープに起因する窒化物半導体層の光吸収が減少したためと考えられる。
実施例１において、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度を１×１０１９ｃｍ−３とする以外は、実施例１と同様の方法によりＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４．８ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例２のＬＥＤチップは、順方向電圧が実施例１のＬＥＤチップよりも僅かに増加し、出力は実施例１のＬＥＤチップと比較して向上した。その理由は、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度を低くしたことにより、Ｍｇドープに起因する窒化物半導体層の光吸収が減少したためと考えられる。
［比較例２］
実施例２において、ｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層に代えて、Ｍｇ濃度が５×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成するとともに、ｐ側電極を厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ１５０ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した２層構造とする以外、実施例２と同様の方法によりＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．６Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
比較例２のＬＥＤチップは、出力が実施例２のＬＥＤチップより低いものの、実施例１のＬＥＤチップとは同レベルとなった。一方、順方向電圧は、実施例２や比較例１のＬＥＤチップと比較して高くなった。実施例２のＬＥＤチップとの出力の差は、やはり、Ｍｇ濃度が高いｐ型コンタクト層の光吸収が有ることと、ｐ側電極として用いたＮｉ／Ａｕ電極の近紫外波長域における光反射性がＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ電極より低いためであると考えられる。一方、実施例２や比較例１のＬＥＤチップに対して順方向電圧が高くなった理由については、比較例１のチップと比べると、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度が低いために、ｐ型コンタクト層から第二のｐ型クラッド層へのＭｇの拡散が著しくなってｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が低下し、電極との接触抵抗が増加したことが考えられる。
実施例２において、ｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層に代えて、Ｍｇ濃度が５×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成するとともに、ｐ側電極を厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ１５０ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した２層構造とする以外、実施例２と同様の方法によりＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．６Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
比較例２のＬＥＤチップは、出力が実施例２のＬＥＤチップより低いものの、実施例１のＬＥＤチップとは同レベルとなった。一方、順方向電圧は、実施例２や比較例１のＬＥＤチップと比較して高くなった。実施例２のＬＥＤチップとの出力の差は、やはり、Ｍｇ濃度が高いｐ型コンタクト層の光吸収が有ることと、ｐ側電極として用いたＮｉ／Ａｕ電極の近紫外波長域における光反射性がＡｌ／Ｐｄ／Ａｕ電極より低いためであると考えられる。一方、実施例２や比較例１のＬＥＤチップに対して順方向電圧が高くなった理由については、比較例１のチップと比べると、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度が低いために、ｐ型コンタクト層から第二のｐ型クラッド層へのＭｇの拡散が著しくなってｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が低下し、電極との接触抵抗が増加したことが考えられる。
［実施例３］
実施例１において、ｐ側電極の形状を、開口部を有さない板状としたことと、パッド電極を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法でＬＥＤチップを作製した。作製したＬＥＤは、リード電極パターンが形成されたセラミックパッケージ上に、電極形成面が下となるようにフリップチップボンディングした。なお、ボンディング材料にはＡｕ−Ｓｎ共晶ハンダを用いた。
特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力６．２ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．２Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例１において、ｐ側電極の形状を、開口部を有さない板状としたことと、パッド電極を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法でＬＥＤチップを作製した。作製したＬＥＤは、リード電極パターンが形成されたセラミックパッケージ上に、電極形成面が下となるようにフリップチップボンディングした。なお、ボンディング材料にはＡｕ−Ｓｎ共晶ハンダを用いた。
特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力６．２ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．２Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
［比較例３］
実施例３において、ｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層に代えて、Ｍｇ濃度が５×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成するとともに、ｐ側電極を厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ１５０ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した２層構造とする以外、実施例３と同様の方法によりＬＥＤチップを作製してフリップチップボンディングし、特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４．８ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．２Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例３において、ｎ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ側コンタクト層に代えて、Ｍｇ濃度が５×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮからなる厚さ５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成するとともに、ｐ側電極を厚さ２０ｎｍのＮｉ層、厚さ１５０ｎｍのＡｕ層をこの順に積層した２層構造とする以外、実施例３と同様の方法によりＬＥＤチップを作製してフリップチップボンディングし、特性を評価したところ、発光中心波長３８０ｎｍ、出力４．８ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．２Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
［実施例４］
実施例１において、活性層に含まれる井戸層の組成を変更し、発光波長が４０５ｎｍとなるようにしたこと以外は、実施例１と同様にしてＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、出力５．２ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例１において、活性層に含まれる井戸層の組成を変更し、発光波長が４０５ｎｍとなるようにしたこと以外は、実施例１と同様にしてＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、出力５．２ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
［実施例５］
実施例２において、活性層に含まれる井戸層の組成を変更し、発光波長が４０５ｎｍとなるようにしたこと以外は、実施例２と同様にしてＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、出力５．９ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例４との比較から、発光波長を４０５ｎｍとした場合においても、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度を低くすることによって、出力が向上することが確認された。
実施例２において、活性層に含まれる井戸層の組成を変更し、発光波長が４０５ｎｍとなるようにしたこと以外は、実施例２と同様にしてＬＥＤチップを作製し、素子特性を評価したところ、出力５．９ｍＷ（２０ｍＡ通電時）、順方向電圧３．３Ｖ（２０ｍＡ通電時）であった。
実施例４との比較から、発光波長を４０５ｎｍとした場合においても、第二のｐ型クラッド層のＭｇ濃度を低くすることによって、出力が向上することが確認された。
１１ サファイア基板
１２ ｎ型コンタクト層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ側コンタクト層
Ｐ１１ ｎ側電極
Ｐ１２ ｐ側電極
１２ ｎ型コンタクト層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ側コンタクト層
Ｐ１１ ｎ側電極
Ｐ１２ ｐ側電極
Claims (15)
- ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、ｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、ｎ型窒化物半導体からなる厚さ１５ｎｍ以下のｐ側コンタクト層とが、この順に積層された積層体と、
上記ｐ側コンタクト層に形成され、少なくともｐ側コンタクト層に接する部分がｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなるｐ側電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。 - 上記ｐ側コンタクト層の電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側コンタクト層にはｎ型不純物がドープされている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側コンタクト層がＩｎｘＧａ1−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、ＮｂおよびＶから選ばれる１以上の金属である、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側電極が、Ａｕからなる表面層を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側電極が、ＡｌまたはＡｌ合金からなる最下層と、該最下層と上記表面層との間に形成された、Ａｕよりも融点の高い金属からなるバリア層とを有する、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側電極が反射性電極である、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側電極が開口電極である請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ側電極が開口電極または透明電極であり、かつ、上記ｐ側電極に透明導電膜が積層された、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ型クラッド層には、Ｍｇが濃度１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲でドープされている、請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記ｐ型クラッド層は、不純物濃度および／または窒化物半導体組成が厚さ方向に一様でない、請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記積層体が導電性基板上に成長または接合されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- ｐｎ接合を形成するように積層されたｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層と、
上記ｐ型窒化物半導体層に正孔を注入する電極が形成されたコンタクト層とを有し、
上記コンタクト層はｎ型窒化物半導体からなり、
上記電極はｎ型窒化物半導体とオーミック接触する金属からなる、
窒化物半導体発光素子。 - ダブルヘテロ構造を有する請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
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