JP2008160025A

JP2008160025A - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP2008160025A
Application number: JP2006349979A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ando; 裕之安藤; Kazuhiko Furukawa; 和彦古川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10
Also published as: WO2008078672A1

Abstract

【課題】発光効率が高く、高輝度の光を発光する窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に順次積層された、第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、を含み、第１導電型窒化物半導体層は、ＡｌとＧａとを含む窒化物半導体を主成分としており、第１導電型窒化物半導体層と活性層との間に第１導電型窒化物半導体層よりもＡｌの組成比が小さい第３導電型窒化物半導体層を備えている窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、発光効率が高く、高輝度の光を発光する窒化物半導体発光素子に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体はバンドギャップが大きいために、青色光を発光する青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や紫外光を発光する紫外光ＬＥＤ等の窒化物半導体発光素子の材料に用いられており、これらの窒化物半導体発光素子は白色光を発光する照明装置の励起光源として利用されている。

このような窒化物半導体発光素子については、発光効率を向上させるために、たとえば以下のような提案がなされてきている。
（１）ＳｉＣ基板を用い、ＩｎＡｌＧａＮ層を発光層として、そのＩｎＡｌＧａＮ層におけるＩｎ等の組成比を調整することにより、波長３６０ｎｍ以下の紫外域での発光効率を高効率化する（たとえば、特許文献１参照）。
（２）ＧａＮ基板上に形成したＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層／Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層からなる単一量子井戸構造を活性層として高輝度化を図る（たとえば、非特許文献１参照）。
（３）ＺｎＯ基板上にＡｌＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮブロック層およびＩｎＧａＮ活性層を順次積層することにより、格子整合性を向上させ、発光効率の高効率化を図る（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００１−２３７４５５号公報特開平４−２０９５７７号公報 T.Nishida, H.Saito, N.Kobayashi, Appl. Phys. Lett., Vol.79, 2001, p.711

上記の窒化物半導体発光素子を照明装置等に利用するためには窒化物半導体発光素子を高輝度化する必要があるが、大電流密度の電流を注入した場合には、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下してしまうという問題があった。

これは、格子不整合や歪み等によって生じた窒化物半導体結晶中の転位や欠陥が非発光中心となり、そこからの発熱の影響が顕著になること、ならびに活性層に注入された電子やホールがオーバーフローしてしまうこと等が原因と考えられている。

したがって、窒化物半導体発光素子の高輝度化のためには、窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体結晶の高品質化、および電子やホールを閉じ込めるブロック層の閉じ込め効果の向上が求められている。

一般に、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体（たとえばＡｌＧａＮ）結晶は、Ａｌの組成比を高くするとバンドギャップが大きくなって電子やホールの閉じ込め効果の向上が期待できるとともに、Ａｌの組成比の増加に伴って屈折率が小さくなるため、活性層からの光を反射させる効果が大きくなる。したがって、ＡｌＧａＮはブロック層によく用いられている。

しかしながら、ＡｌＧａＮはＡｌの組成比が大きくなるほど格子定数が小さくなることから、ＧａＮなどからなる他の層との格子不整合が大きくなり、Ａｌ組成の大きいＡｌＧａＮを厚く形成すると結晶品質が著しく低下してしまう。したがって、従来の窒化物半導体発光素子においては、電子やホールの閉じ込め効果を向上させるためにＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮを用いると、活性層からの光を反射させるのに十分な厚さを形成することが難しく、活性層からの光が基板側へ透過してしまうため、透過した光が基板やバッファ層で吸収されて発光効率が低下してしまうという問題があった。

基板がＧａＮまたはＺｎＯからなる場合には、発光波長が３６５ｎｍ以下の光は基板で吸収されやすいため、特に、活性層から基板方向に透過する光を少なくする必要がある。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決し、発光効率が高く、高輝度の光を発光する窒化物半導体発光素子を提供することにある。

本発明は、基板と、基板上に順次積層された、第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、を含み、第１導電型窒化物半導体層は、Ａｌ（アルミニウム）とＧａ（ガリウム）とを含む窒化物半導体を主成分としており、第１導電型窒化物半導体層と活性層との間に第１導電型窒化物半導体層よりもＡｌの組成比が小さい第３導電型窒化物半導体層を備えている窒化物半導体発光素子である。

ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層の基板側の表面に接し、第１導電型窒化物半導体層よりもＡｌの組成比が小さい第４導電型窒化物半導体層を備えていることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、基板と第４導電型窒化物半導体層との間にバッファ層を備えていることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、バッファ層はＩｎ（インジウム）とＧａとを含む窒化物半導体を主成分としており、バッファ層中に含まれるＩｎ原子の数とＧａ原子の数との和に対するＩｎ原子の数の比が０よりも大きく０．２以下であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分としていることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第１導電型窒化物半導体層中に含まれるＡｌ原子の数とＧａ原子の数との和に対するＡｌ原子の数の比が０．２以上１未満であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、基板の表面が窒化物半導体で覆われていることが好ましい。

なお、本発明において、「主成分」とは、５０質量％以上を占める成分のことをいう。

本発明によれば、発光効率が高く、高輝度の光を発光する窒化物半導体発光素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型のＺｎＯ単結晶からなる基板１上に、ｎ型のバッファ層１０、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第４導電型窒化物半導体層２、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第１導電型窒化物半導体層３、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第３導電型窒化物半導体層４、ｎ型のＩｎＧａＮからなる活性層５、ｐ型のＡｌＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層６およびｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層７が順次積層された構成を有している。そして、第２導電型コンタクト層７の表面上にはｐ型用電極９が形成され、基板１の裏面上にはｎ型用電極８が形成されている。

ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層３と活性層５との間に位置する第３導電型窒化物半導体層４のＡｌ組成比が第１導電型窒化物半導体層３のＡｌ組成比よりも小さいことを特徴としている。

すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第３導電型窒化物半導体層４がｎ型のＡｌ_xＧａ_1-xＮからなり、第１導電型窒化物半導体層３がｎ型のＡｌ_yＧａ_1-yＮからなる場合に、ｘ＜ｙの関係が成立している。ここで、ｘは第３導電型窒化物半導体層４中のＡｌの原子数とＧａの原子数との和に対するＡｌの原子数の比（Ａｌ組成比：（Ａｌの原子数）／（Ａｌの原子数＋Ｇａの原子数））を示し、ｙは第１導電型窒化物半導体層３中のＡｌの原子数とＧａの原子数との和に対するＡｌの原子数の比（Ａｌ組成比：（Ａｌの原子数）／（Ａｌの原子数＋Ｇａの原子数））を示している。

このような構成とすることによって、Ａｌ組成比が大きな第１窒化物半導体層３をブロック層として用いた場合でも、発光効率が高く、高輝度の光を発光し、かつ、格子整合性に優れた高品質の窒化物半導体結晶を有する窒化物半導体発光素子を作製することができる。

たとえば図２に示すように、ＩＩＩ族元素の窒化物からなる窒化物半導体結晶においては、Ａｌの組成比が大きくなるほどバンドギャップが大きくなるとともに屈折率および格子定数が小さくなり、Ａｌの組成比が小さくなるほどバンドギャップが小さくなるとともに屈折率および格子定数が大きくなる。また、光は、屈折率の大きな物質（たとえば、ＩｎＧａＮ）から小さな物質（たとえば、ＡｌＧａＮ）に進行するときにある入射角以上で全反射する。

すなわち、第１導電型窒化物半導体層３と活性層５との間に、活性層５からの光を反射するのに十分な厚さにおいて高品質な結晶とすることができるＡｌ組成比の小さな第３導電型窒化物半導体層４を設置することによって、活性層５からの光を屈折率の大きなＩｎＧａＮからなる活性層５と屈折率の小さなＡｌＧａＮからなる第３導電型窒化物半導体層４との界面で反射する効果を向上させることで、活性層５側に反射する光の量を増加することができる。

これにより、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層３が活性層５からの光を反射させるのに十分な厚さを形成することが困難なＡｌ組成比の大きなＡｌＧａＮの場合でも、活性層５からの光の基板１側への透過量を減少させることができるため、活性層５からの光が基板１やバッファ層１０で吸収されるのを抑制することができる。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層３中に含まれるＡｌの原子数とＧａの原子数との和に対するＡｌの原子数の比が０．２以上１未満であることが好ましい。たとえば、第１導電型窒化物半導体層３がｎ型のＡｌ_yＧａ_1-yＮからなる場合に、０．２≦ｙ＜１の関係が成立することが好ましい。この場合には、第１導電型窒化物半導体層３のブロック層としての電子およびホールの閉じ込め効果が大きくなるため、大電流密度の電流が注入された場合でも電子およびホールのオーバーフローを抑制することができ、発光効率をさらに向上することができる傾向にある。

また、Ａｌの組成比が大きい第１導電型窒化物半導体層３は格子定数が小さくなるため、第１導電型窒化物半導体層３上に直接、ＩｎＧａＮからなる格子定数が大きい活性層５を形成した場合には格子定数差が大きくなって格子不整合を生じやすい。しかしながら、本発明の窒化物半導体発光素子においては、Ａｌの組成比が小さく、格子定数が大きな第３導電型窒化物半導体層４上に活性層５が形成されていることから、格子定数差が減少し、格子整合性のより高い素子構造とすることができるため、高品質な活性層５を形成することができる。

すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子においては、活性層５からの光の基板１側への透過量の減少と高品質な活性層５との相乗効果によって、発光効率を飛躍的に高くすることができるとともに高輝度の光を発光することができるのである。

なお、第１導電型窒化物半導体層３と活性層５との間に設置される第３導電型窒化物半導体層４のＡｌ組成比については、Ａｌ組成比が小さくなると屈折率が大きくなるため、活性層５からの光を反射する効果は弱まるが、格子定数はＩｎＧａＮからなる活性層と近くなって格子整合性はよくなり、結晶質が向上するため、発光効率が最大になるように適宜設定すればよい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層３の基板１側の表面に接している第４導電型窒化物半導体層２のＡｌ組成比が第１導電型窒化物半導体層３のＡｌ組成比よりも小さいことが好ましい。すなわち、第４導電型窒化物半導体層２がｎ型のＡｌ_zＧａ_1-zＮからなり、第１導電型窒化物半導体層３がｎ型のＡｌ_yＧａ_1-yＮからなる場合に、ｚ＜ｙの関係が成立していることが好ましい。ここで、ｚは第４導電型窒化物半導体層２中のＡｌの原子数とＧａの原子数との和に対するＡｌの原子数の比（Ａｌ組成比：（Ａｌの原子数）／（Ａｌの原子数＋Ｇａの原子数））を示しており、ｙは上述のとおり第１導電型窒化物半導体層３のＡｌ組成比を示している。

第４導電型窒化物半導体層２のＡｌ組成比が第１導電型窒化物半導体層３のＡｌ組成比よりも小さい場合には、Ａｌ組成比が小さく高品質な結晶となる第４導電型窒化物半導体層２を下地としてＡｌ組成比が大きな第１導電型窒化物半導体層３を成長させることができるため、第１導電型窒化物半導体層３が高品質な結晶となる傾向にある。また、第１導電型窒化物半導体層３が高品質な結晶に形成された場合には、第１導電型窒化物半導体層３の表面上に順次成長する第３導電型窒化物半導体層４および活性層５も高品質な結晶とすることができるため、活性層５からさらに高輝度の光が発光される傾向にある。

また、基板１と第４導電型窒化物半導体層２との間にバッファ層１０を設けていることにより、格子整合性が向上するため、より高品質の結晶からなる第４導電型窒化物半導体層２を形成することができる。

ここで、基板１がＺｎＯ単結晶からなる場合には、バッファ層１０としてはＺｎＯ単結晶と格子定数が一致するＩｎＧａＮを用いることが好ましい。この場合には、バッファ層１０が高品質な結晶から構成されることから、バッファ層１０上に順次成長させられる第４導電型窒化物半導体層２、第１導電型窒化物半導体層３、第３導電型窒化物半導体層４および活性層５も高品質な結晶とすることができるため、活性層５からさらに高輝度の光が発光される傾向にある。

また、バッファ層１０がＩｎＧａＮからなる場合には、バッファ層中に含まれるＩｎ原子の数とＧａ原子の数との和に対するＩｎ原子の数の比が０よりも大きく０．２以下であることが好ましい。たとえば、バッファ層１０がＩｎ_aＧａ_1-aＮからなる場合に０＜ａ≦０．２の関係が成立していることが好ましい。この場合には、ＺｎＯ単結晶からなる基板１、バッファ層１０および第４導電型窒化物半導体層２の格子整合性がより向上するため、第４導電型窒化物半導体層２がより高品質な結晶となる傾向にある。なお、上記において、ａはバッファ層１０中のＩｎの原子数とＧａの原子数との和に対するＩｎの原子数の比（Ｉｎ組成比：（Ｉｎの原子数）／（Ｉｎの原子数＋Ｇａの原子数））を示している。

なお、バッファ層１０にＩｎＧａＮを用いた場合には、ＩｎＧａＮはＺｎＯ単結晶からなる基板１よりもバンドギャップが狭いため、さらに長波長側の発光も吸収され、発光効率が低下することも考えられる。しかしながら、本発明の窒化物半導体発光素子においては、上述したように活性層５からの光が基板１側へ進行するのを抑制することができるため、格子整合性の向上による結晶性の向上の効果の方が大きくなり、発光効率が向上する。

また、基板１がＧａＮ単結晶またはＺｎＯ単結晶からなる場合には３６５ｎｍ以下の波長の光が基板１で吸収されやすくなるため、上述したような本発明の構成は、基板１がＧａＮ単結晶またはＺｎＯ単結晶からなる場合に特に有効となる。

また、基板１が上述のようにＺｎＯ単結晶からなる場合には、基板１の表面（特に、窒化物半導体層を成長させる表面）をたとえばバッファ層１０を構成する窒化物半導体と同一種類の窒化物半導体や第４導電型窒化物半導体層を窒化物半導体と同一種類の窒化物半導体で覆うことが好ましい。この場合には、窒化物半導体発光素子の作製中に基板１が劣化することが抑制されるとともに、より高品質の窒化物半導体結晶を基板１上に成長することができる傾向にある。ＺｎＯ単結晶は亜鉛の蒸気圧が高いため、高温中では亜鉛が脱離して劣化してしまうが、ＺｎＯ単結晶からなる基板１のたとえば全表面を窒化物半導体で覆うことによってそのような劣化を抑制することができる。

なお、上記においては、基板１の材質としてはＧａＮ単結晶またはＺｎＯ単結晶を用いることが好ましい旨について説明したが、本発明において基板１の材質はＧａＮ単結晶またはＺｎＯ単結晶に限定されないことは言うまでもない。

また、上記においては、第１導電型窒化物半導体層３の材質としてｎ型のＡｌＧａＮを用いた場合について説明したが、第１導電型窒化物半導体層３の材質としてはＡｌとＧａを含む窒化物半導体であれば、たとえばＳｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｔｅ（テルル）またはＳｅ（セレン）等のｎ型ドーパントおよび／またはＩｎ等のＩＩＩ族元素が含まれていてもよい。

また、上記においては、活性層５の材質としてｎ型のＩｎＧａＮを用いた場合について説明したが、たとえばノンドープのＩｎＧａＮであってもよい。また、活性層５は単一の層から構成されていてもよく、量子井戸構造と呼ばれる超格子構造から構成されていてもよい。なお、量子井戸構造は、従来から公知のように、障壁層と井戸層とが交互に積層された構造のことであり、井戸層で発光する。また、量子井戸構造は、井戸層が１層しかない単一量子井戸構造であってもよく、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造であってもよい。

また、第２導電型窒化物半導体層６および第２導電型コンタクト層の材質も上記のものに限定されず、たとえば、Ａｌ_sＧａ_tＩｎ_uＮの組成式で表わされる窒化物半導体結晶に、たとえばＭｇ（マグネシウム）等のｐ型ドーパントをドープしてｐ型特性を示すように成長させた層等を用いることができる。なお、上記の組成式において、ｓはＡｌの組成比を示し、ｔはＧａの組成比を示し、ｕはＩｎの組成比を示す。

また、ｎ型用電極８としてはＴｉ（チタン）とＡｌを含む材料を用いることが好ましく、ｐ型用電極９としてはＮｉ（ニッケル）とＡｕ（金）を含む材料を用いることが好ましい。

また、上記においては、第１導電型、第３導電型および第４導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型とした場合について説明したが、本発明においては、第１導電型、第３導電型および第４導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよいことは言うまでもない。なお、第１導電型、第３導電型および第４導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型とした場合には、第１導電型窒化物半導体層、第３導電型窒化物半導体層および第４導電型窒化物半導体層はたとえばｐ型ドーパントを含む窒化物半導体により構成され、第２導電型窒化物半導体層はたとえばｎ型ドーパントを含む窒化物半導体により構成される。

（実施例１）
図３に、本発明の実施例１のＬＥＤチップの模式的な断面図を示す。ここで、実施例１のＬＥＤチップは、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１上に、Ｓｉがドープされた厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２、Ｓｉがドープされた厚さ３０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１３、Ｓｉがドープされた厚さ１００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１４がこの順序で積層された構成を有している。なお、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１の全表面は、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２で被覆されている。

また、ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１４上には、Ｓｉがドープされた厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５、Ｍｇがドープされた厚さ１００ｎｍのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１６およびＭｇがドープされた厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１７がこの順序で積層されている。

また、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１の裏面上にはｎ型用電極としてＴｉ層およびＡｌ層がこの順序で積層された電極１８が形成されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の表面上にはＮｉ層およびＡｕ層がこの順序で積層された電極１９が形成されている。

以下、この実施例１のＬＥＤチップの製造方法について説明する。まず、表面が平坦化されたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１を反応容器内にセットし、原料をＡｌ_0.1Ｇａ_0.9合金およびＳｉ結晶として室温の窒素雰囲気下でＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法によりｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２を５０ｎｍの厚さに成膜した。このとき、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１を保護する目的でその全表面上にｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２を成膜した。

次に、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２の成長後のｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置にセットし、キャリアガスとして水素および窒素、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ₃（アンモニア）、ドーパントガスとしてシランを用い、基板温度が８００℃の条件で、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２の表面上にＳｉがドープされたｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１３を３０ｎｍの厚さに成長させた。

続いて、ガスの比率を変更して、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１３の表面上にＳｉがドープされたｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１４をＭＯＣＶＤ法により１００ｎｍの厚さに成長させた。

次に、キャリアガスを窒素に切り替えて、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＮＨ₃、ドーパントガスとしてシランを用い、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１４の表面上にＳｉがドープされたｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５を５０ｎｍの厚さに成長させた。

次に、基板温度を１０２０℃にまで上昇させ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡおよびＮＨ₃、ドーパントガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５の表面上にＭｇがドープされたｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１６を１００ｎｍの厚さに成長させた。

続いて、ＴＭＡの導入を停止して、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１６の表面上にＭｇがドープされたｐ型ＧａＮコンタクト層１７を１００ｎｍの厚さに成長させた。

その後、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、窒素雰囲気中、７００℃で２０分間アニーリングし、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７をそれぞれ低抵抗化した。

次に、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２の裏面上にＴｉ層およびＡｌ層をこの順序で蒸着して電極１８を形成するとともに、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の表面上にＮｉ層およびＡｕ層をこの順序で蒸着して電極１９を形成した。

その後、電極１８および電極１９の形成後のウエハをチップ状に分割することによって図３に示す断面を有する実施例１のＬＥＤチップを得た。

そして、実施例１のＬＥＤチップに２０ｍＡの順方向電流を注入したところ、波長３７０ｎｍの光が発光し、後に説明する比較例１の構成と比較して外部量子効率が５％向上した。

（実施例２）
図４に、本発明の実施例２のＬＥＤチップの模式的な断面図を示す。ここで、実施例２のＬＥＤチップは、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１の表面全体をＳｉがドープされた厚さ５０ｎｍのｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバッファ層１１０で被覆し、ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバッファ層１１０の表面上に厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２を積層した構成としたことを特徴としている。その他の構成は実施例１と同様である。

以下、この実施例２のＬＥＤチップの製造方法について説明する。まず、表面が平坦化されたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１を反応容器内にセットし、原料をＩｎ_0.1Ｇａ_0.9合金およびＳｉ結晶として室温の窒素雰囲気下でＰＬＤ法によりｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバッファ層１１０を５０ｎｍの厚さに成膜した。このとき、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１の全表面上にｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバッファ層１１０を成膜した。

その後、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１３、ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１４、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７を実施例１と同様にして順次成長させた。

そして、実施例１と同様にして、ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバッファ層１１０の裏面上にＴｉ層およびＡｌ層をこの順序で蒸着して電極１８を形成するとともに、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の表面上にＮｉ層およびＡｕ層をこの順序で蒸着して電極１９を形成した。

その後、電極１８および電極１９の形成後のウエハをチップ状に分割することによって図４に示す断面を有する実施例２のＬＥＤチップを得た。

そして、実施例２のＬＥＤチップに実施例１と同様にして２０ｍＡの順方向電流を注入したところ、波長３７０ｎｍの光が発光し、後に説明する比較例１の構成と比較して外部量子効率が７％向上した。

実施例２のＬＥＤチップの外部量子効率が実施例１のＬＥＤチップの外部量子効率と比べて上昇した理由としては、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１からｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５までの格子整合性がさらに良くなり、内部量子効率が向上したためと考えられる。

（実施例３）
図５に、本発明の実施例３のＬＥＤチップの模式的な断面図を示す。ここで、実施例３のＬＥＤチップは、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板の代わりにｎ型ＧａＮ単結晶基板１１１を用い、ｎ型ＧａＮ単結晶基板１１１の表面上に、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１２、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１３、ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１４、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７を順次積層した構成としたことを特徴としている。その他の構成および製造方法は実施例１と同様である。

この実施例３のＬＥＤチップに実施例１と同様にして２０ｍＡの順方向電流を注入したところ、波長３７０ｎｍの光が発光し、後に説明する比較例１の構成と比較して外部量子効率が７％向上した。

（比較例１）
図６に、比較例１のＬＥＤチップの模式的な断面図を示す。ここで、比較例１のＬＥＤチップは、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１１の表面上に、厚さ３０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１３、厚さ５０ｎｍのＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ活性層１５、厚さ１００ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層２６および厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１７を順次積層した構成としたことを特徴としている。その他の構成および製造方法は実施例１と同様である。

したがって、実施例１〜３のＬＥＤチップは、比較例１のＬＥＤチップと比べて、外部量子効率が向上していることが確認された。

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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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ことが意図される。

本発明によれば、発光効率が高く、高輝度の光を発光する窒化物半導体発光素子を提供することができるため、本発明の窒化物半導体発光素子は、白色発光素子の励起光源に用いられるＬＥＤチップ等の照明用途等に好適に利用することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の一例の模式的な断面図である。窒化物半導体の種類、バンドギャップ、格子定数および屈折率の関係を示す図である。本発明の実施例１のＬＥＤチップの模式的な断面図である。本発明の実施例２のＬＥＤチップの模式的な断面図である。本発明の実施例３のＬＥＤチップの模式的な断面図である。比較例１のＬＥＤチップの模式的な断面図である。

符号の説明

１基板、２第４導電型窒化物半導体層、３第１導電型窒化物半導体層、４第３導電型窒化物半導体層、５活性層、６第２導電型窒化物半導体層、７第２導電型コンタクト層、８ｎ型用電極、９ｐ型用電極、１０バッファ層、１１ｎ型ＺｎＯ単結晶基板、１２ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、１３ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層、１４ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層、１５ｎ型ＩｎＧａＮ活性層、１６ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層、１７ｐ型ＧａＮコンタクト層、１８，１９電極、２６ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、１１０ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバッファ層、１１１ｎ型ＧａＮ単結晶基板。

Claims

基板と、前記基板上に順次積層された、第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、を含み、
前記第１導電型窒化物半導体層は、アルミニウムとガリウムとを含む窒化物半導体を主成分としており、
前記第１導電型窒化物半導体層と前記活性層との間に前記第１導電型窒化物半導体層よりもアルミニウムの組成比が小さい第３導電型窒化物半導体層を備えていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層の前記基板側の表面に接し、前記第１導電型窒化物半導体層よりもアルミニウムの組成比が小さい第４導電型窒化物半導体層を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記基板と前記第４導電型窒化物半導体層との間にバッファ層を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記バッファ層はインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体を主成分としており、前記バッファ層中に含まれるインジウム原子の数とガリウム原子の数との和に対するインジウム原子の数の比が０よりも大きく０．２以下であることを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
前記基板は、窒化ガリウムまたは酸化亜鉛を主成分としていることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１導電型窒化物半導体層中に含まれるアルミニウム原子の数とガリウム原子の数との和に対するアルミニウム原子の数の比が０．２以上１未満であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記基板の表面が窒化物半導体で覆われていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。