JP2008244307A - 半導体発光素子および窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層の結晶性の悪化を抑制することができ、大電流密度で発光効率の高い半導体発光素子および窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型半導体層と、活性層と、を含み、ｎ型半導体層と活性層との間に第１のｐ型半導体層を備え、活性層から見て第１のｐ型半導体層がある側とは反対側に第２のｐ型半導体層を備えた半導体発光素子である。また、ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層とを含み、ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層との間に第１のｐ型窒化物半導体層を備え、窒化物半導体活性層から見て第１のｐ型窒化物半導体層がある側とは反対側に第２のｐ型窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子および窒化物半導体発光素子に関し、特に、活性層の結晶性の悪化を抑制することができ、大電流密度で発光効率の高い半導体発光素子および窒化物半導体発光素子に関する。

従来の窒化物半導体発光素子の構造は、基板から順に、ｎ型窒化物半導体層、ｎ型若しくはアンドープ窒化物半導体活性層およびｐ型窒化物半導体層が積層された構造が一般的である。

この構造の窒化物半導体発光素子においては、窒化物半導体活性層がｎ型になっていること、および有効質量が正孔に比べて電子の方が小さいことから、大電流密度での窒化物半導体活性層における正孔濃度が電子濃度に比べて著しく小さくなる。したがって、過剰な電子がｐ型窒化物半導体層の領域まで進入して、窒化物半導体活性層の領域に対して無視できない割合でｐ型窒化物半導体層の領域で正孔と再結合することから、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下するという問題があった。

そこで、特許文献１においては、窒化物半導体活性層の少なくとも１つの層をｐ型とする窒化物半導体発光素子が提案されている。
特開２００４−６４０８０号公報

しかしながら、半導体においてはｐ型不純物の活性化エネルギは非常に大きい。たとえば、窒化物半導体のｐ型不純物として一般的に使用されるＭｇの活性化エネルギは２００ｍｅＶ程度であり、ｎ型不純物の活性化エネルギの約１０倍程度である。

したがって、特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子の窒化物半導体活性層において所望のｐ型キャリア濃度を得るためには、その約１００倍程度のｐ型不純物をドーピングする必要があるため、ｐ型不純物を高濃度にドーピングすることによる窒化物半導体活性層の結晶性の悪化が懸念される。

また、特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子の窒化物半導体活性層の多重量子井戸構造の井戸層にＩｎＧａＮ層が用いられる場合には、Ｉｎの蒸気圧は非常に高いことから低温で形成する必要が必要があるため、このような低温での井戸層のｐ型への活性化は困難である。

そこで、本発明の目的は、活性層の結晶性の悪化を抑制することができ、大電流密度で発光効率の高い半導体発光素子および窒化物半導体発光素子を提供することにある。

なお、本発明において、「発光効率」とは、内部量子効率と、注入効率と、光取り出し効率との積の外部量子効率のことを示している。ここで、内部量子効率とは活性層に注入された電子数に対して活性層に生じた光子数の割合のことをいい、注入効率とは素子における正孔と電子との全再結合数に対する活性層における正孔と電子との再結合数の割合のことをいい、光取り出し効率とは活性層に生じた光子数に対する素子の外部に取り出された光子数の割合のことをいう。

本発明は、ｎ型半導体層と、活性層と、を含み、ｎ型半導体層と活性層との間に第１のｐ型半導体層を備え、活性層から見て第１のｐ型半導体層がある側とは反対側に第２のｐ型半導体層を備えた半導体発光素子である。

また、本発明は、ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層とを含み、ｎ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層との間に第１のｐ型窒化物半導体層を備え、窒化物半導体活性層から見て第１のｐ型窒化物半導体層がある側とは反対側に第２のｐ型窒化物半導体層を備えた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は、第１のｐ型窒化物半導体層に接するようにして設置されたＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層を含むことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第１のｐ型窒化物半導体層はＡｌを含む窒化物半導体層を含むことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１のｐ型窒化物半導体層に含まれるＡｌ、ＧａおよびＩｎの総原子数に対するＡｌの原子数の比が０．０５以上０．５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は、第１のｐ型窒化物半導体層と窒化物半導体活性層との間にｐ型不純物を含まない窒化物半導体層を含むことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物の原子濃度は５×１０¹⁹／ｃｍ³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は、窒化物半導体活性層のｐ型不純物の原子濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³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は、窒化物半導体活性層はアンドープ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、第２のｐ型窒化物半導体層はｐ型ＩｎＧａＮ層を含むことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎおよびＧａの総原子数に対するＩｎの原子数の比が０．１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は、窒化物半導体活性層は、井戸数が２以上の多重量子井戸構造を有することが好ましい。

なお、本明細書において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示す。

また、本発明において、ｐ型不純物の原子濃度およびｎ型不純物の原子濃度はそれぞれたとえばＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）等の方法により定量的に算出することができる。

本発明によれば、活性層の結晶性の悪化を抑制することができ、大電流密度で発光効率の高い半導体発光素子および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好ましい一例の模式的な断面図を示す。図１に示す窒化物半導体発光素子は、基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２、第１のｐ型窒化物半導体層３、窒化物半導体活性層４、第２のｐ型窒化物半導体層５および透光性電極６がこの順序で積層された構成を有している。そして、透光性電極６の表面上にｐ側電極８が形成されており、ｎ型窒化物半導体層２の表面上にｎ側電極９が形成されている。

また、図２に、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図２に示す窒化物半導体発光素子においては、第１のｐ型窒化物半導体層３と窒化物半導体活性層４との間にｐ型不純物がドーピングされていない窒化物半導体層１０が形成されていること以外は、図１に示す窒化物半導体発光素子と同一の構成となっている。

ここで、図１および図２に示す本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層２と窒化物半導体活性層４との間に第１のｐ型窒化物半導体層３を備えており、窒化物半導体活性層４から見て第１のｐ型窒化物半導体層３がある側とは反対側に第２のｐ型窒化物半導体層５を備えていることに特徴がある。

このような構成とすることによって、窒化物半導体活性層４にｐ型不純物を大量にドーピングしなくても、大電流密度で発光効率の高い窒化物半導体発光素子が得られるとともに、窒化物半導体活性層４の結晶性の悪化も抑制することができる。

図３に、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例のエネルギバンド図を示す。なお、図３において、縦軸がバンドギャップエネルギ（ｅＶ）を示し、横軸が第２のｐ型窒化物半導体層５の表面からの距離（ｎｍ）を示す。すなわち、横軸の距離（ｎｍ）が大きくなるほど第２のｐ型窒化物半導体層５の表面から基板１側に近づくことを意味する。

また、図３に示すエネルギバンド図は、図２に示す構成の窒化物半導体発光素子に以下の材料からなる窒化物半導体層を用いたものについて示している。すなわち、図２に示すｎ型窒化物半導体層２としてｎ型ＧａＮ層を用い、第１のｐ型窒化物半導体層３としてｎ型窒化物半導体層２側から厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層（キャリア濃度：５×１０¹⁷／ｃｍ³）および厚さ１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層（キャリア濃度：５×１０¹⁷／ｃｍ³）がこの順序で形成された積層体を用いている。また、窒化物半導体層１０として、厚さ１０ｎｍのアンドープＧａＮ層（図１には図示されていない）を用いている。また、窒化物半導体活性層４としては、井戸層としてアンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を用い、障壁層としてアンドープＧａＮ層を用いた井戸層数６の多重量子井戸構造を有する活性層を用いている。さらに、第２のｐ型窒化物半導体層５としては窒化物半導体活性層４側から厚さ２０ｎｍのｐ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）および厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）がこの順序で形成された積層体を用いている。

このような構成の窒化物半導体発光素子においては、順バイアス電圧の印加によって、電子が図３の右側から左側に流れ、正孔が図３の左側から右側に流れる。仮に、この窒化物半導体発光素子を大電流密度で駆動した場合でも、窒化物半導体活性層４における正孔濃度が電子濃度よりも大きくなって窒化物半導体活性層４における多数キャリアが正孔となる傾向が大きくなる。

電子は正孔よりも有効質量が小さいため正孔よりも移動速度が大きく、拡散長が長くなるため、窒化物半導体活性層４における多数キャリアが電子である場合、特に大電流密度の場合には、第２のｐ型窒化物半導体層５の領域まで拡散する電子数が窒化物半導体活性層４に注入される電子数に対して無視できない割合になって、注入効率が低下し、結果として発光効率の低下を招く。一方、窒化物半導体活性層４における正孔が多数キャリアである場合には、大電流密度で駆動した場合でも電子は少数キャリアとなり、第２のｐ型窒化物半導体層５の領域に到達する前に窒化物半導体活性層４において電子と正孔とが再結合することから発光効率が低下しない。

したがって、以上の理由から、本発明の窒化物半導体発光素子においては、大電流密度の電流を注入した場合でも、窒化物半導体活性層４において正孔と再結合せずに第２のｐ型窒化物半導体層５側へオーバーフローする電子量を低減することができるため、窒化物半導体発光素子の発光効率を上昇させることができる。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、窒化物半導体活性層４にｐ型不純物を大量にまたは全くドーピングしなくてもよいため、窒化物半導体活性層４の結晶性の悪化を抑制することができる。

さらに、上記のように、第１のｐ型窒化物半導体層３が、ｎ型窒化物半導体層２側から、たとえばＡｌを含む比較的バンドギャップの大きい窒化物半導体層とＡｌを含まない比較的バンドギャップの小さい窒化物半導体層とが接して積層した構成を含む場合には、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との界面の窒化物半導体活性層４側に２次元電子ガスが生成すること、さらには第１のｐ型窒化物半導体層３を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層と窒化物半導体活性層４（ＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層）との間の格子不整合に起因してピエゾ電界が発生することにより、窒化物半導体活性層４の正孔濃度を実効的に高いものとすることができ、窒化物半導体活性層４における空乏領域をｎ型窒化物半導体層２側に形成することができる。これによっても、窒化物半導体活性層４で正孔と再結合せずに第２のｐ型窒化物半導体層５側へオーバーフローする電子量を低減することができる。

ここで、（ｉ）第１のｐ型窒化物半導体層３を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層とその上の窒化物半導体活性層４（ＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層）との電子親和力の違いによって、第１のｐ型窒化物半導体層３のｐ型ＡｌＧａＮ層の窒化物半導体活性層４側の界面にプラスに帯電した２次元電子ガスが発生する。（ｉｉ）第１のｐ型窒化物半導体層３のｐ型ＡｌＧａＮ層と窒化物半導体活性層４（ＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層）との間の格子不整合に起因してピエゾ電界が発生し、このピエゾ電界により窒化物半導体活性層４の第２のｐ型窒化物半導体層５側がマイナスになるように電界がかかる。（ｉｉｉ）窒化物半導体活性層４はアンドープであり、その上の第２のｐ型窒化物半導体層５がｐ型であるため、窒化物半導体活性層４においては第２のｐ型窒化物半導体層５側がプラスになるように電界がかかる。

上記の（ｉｉ）および（ｉｉｉ）の電界が相殺されること、ならびにｐ型ＡｌＧａＮ層の窒化物半導体活性層４側の界面がプラスに帯電していることから、窒化物半導体活性層４は実効的にｐ型となる。

なお、第１のｐ型窒化物半導体層３を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の直下の層は、ピエゾ電界を発生させてｐ型ＡｌＧａＮ層の窒化物半導体活性層４側の界面がプラスになるように電界をかける観点から、ｎ型またはｐ型のＧａＮ層であることが好ましい。

なお、第１のｐ型窒化物半導体層３としては、たとえばｐ型のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）結晶からなる窒化物半導体層を用いることができるが、上記のように２次元電子ガスを生成する観点からは、第１のｐ型窒化物半導体層３はＡｌを含む層を含んでいることが好ましい。なお、上記の式において、ｘはＡｌの混晶比を示し、ｙはＩｎの混晶比を示し、ｚはＧａの混晶比を示している。

すなわち、第１のｐ型窒化物半導体層３が、ｎ型窒化物半導体層２側からｐ型Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）層およびｐ型Ａｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_z2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）層がこの順序で積層されている構成を有している場合には、これらの層の界面の窒化物半導体活性層４側の界面には２次元電子ガスが生成し得るが、上記のような２次元電子ガスを生成する観点からは、ｐ型Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）層はＩｎを含まないｐ型ＡｌＧａＮ層であることが好ましく、ｐ型Ａｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_z2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）層はＡｌを含まないｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＩｎＧａＮ層（ｐ型Ｉｎ_y2Ｇａ_z2Ｎ（０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｙ２＋ｚ２≠０）層）であることが好ましい。

また、第１のｐ型窒化物半導体層３の窒化物半導体活性層４側の最表面がｐ型Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）層から構成されている場合には、２次元電子ガスを生成する観点から、その最表面と接する層は、Ａｌを含まないｎ型若しくはアンドープのＧａＮ層、またはＡｌを含まないｎ型若しくはアンドープのＩｎＧａＮ層であることが好ましい。なお、第１のｐ型窒化物半導体層３の窒化物半導体活性層４側の最表面となるｐ型Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）層に接するＡｌを含まないｎ型若しくはアンドープのＧａＮ層またはＡｌを含まないｎ型若しくはアンドープのＩｎＧａＮ層は窒化物半導体活性層４へのｐ型不純物の拡散を抑制する働きがある。

また、第１のｐ型窒化物半導体層３を構成するｐ型Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）層におけるＡｌ、ＧａおよびＩｎの総原子数に対するＡｌの原子数の比が０．０５以上０．５以下であることが好ましい。この比が０．０５以上０．５以下である場合には、上記の２次元電子ガスの発生による効果が十分に発揮される傾向にある。また、この比が０．５を超える場合には、第１のｐ型窒化物半導体層３の高抵抗化またはクラックの発生等の問題が生じるおそれがある。

また、第１のｐ型窒化物半導体層３のｐ型不純物の原子濃度は５×１０¹⁹／ｃｍ³以下であることが好ましい。この場合には、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によるエピタキシャル成長によって窒化物半導体活性層４を形成した場合の窒化物半導体活性層４への格子欠陥および転位等の伝播を抑えることができる傾向にある。

なお、上記において、ｘ１およびｘ２はそれぞれＡｌの混晶比を示し、ｙ１およびｙ２はそれぞれＩｎの混晶比を示し、ｚ１およびｚ２はそれぞれＧａの混晶比を示している。

また、図１に示す構成のように、第１のｐ型窒化物半導体層３と窒化物半導体活性層４とが接していてもよいが、第１のｐ型窒化物半導体層３からｐ型不純物が窒化物半導体活性層４に拡散するのを抑制できるため、図２に示す構成のように第１のｐ型窒化物半導体層３と窒化物半導体活性層４との間にｐ型不純物を含まない窒化物半導体層１０を形成することが好ましい。ここで、ｐ型不純物の拡散を十分に抑制する観点からは、窒化物半導体層１０の層厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、窒化物半導体活性層４としては、Ｉｎ_aＧａ_bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≠０）からなる井戸層と、Ａｌ_sIｎ_tＧａ_uＮ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｕ≦１、ｓ＋ｔ＋ｕ≠０）からなる障壁層と、が交互に積層された周期構造である、多重量子井戸構造を有することが好ましい。なお、ｓはＡｌの混晶比を示し、ａおよびｔはＩｎの混晶比を示し、ｂおよびｕはＧａの混晶比を示す。

また、窒化物半導体活性層４の結晶性の悪化を抑制する観点から、窒化物半導体活性層４のｐ型不純物の原子濃度は、１×１０¹⁹／ｃｍ³以下であることが好ましく、アンドープであることが好ましい。

また、窒化物半導体活性層４の井戸数は、窒化物半導体活性層４の状態密度を上げ、キャリアのオーバーフローを抑制する観点から、２以上であることが好ましい。

また、窒化物半導体活性層４における電子の拡散長は、窒化物半導体活性層４における正孔濃度によって大きく異なるが、たとえば窒化物半導体活性層４における正孔濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³であれば、その拡散長は１μｍ程度であることから、窒化物半導体活性層４の全層厚が１μｍ以上であることが好ましい。たとえば、井戸層と障壁層とが１層ずつ積層された場合を１周期とし、その１周期の層厚が２０ｎｍのときには井戸数は５０となる。

また、第２のｐ型窒化物半導体層５としては、たとえば、ｐ型Ａｌ_x3Ｉｎ_y3Ｇａ_z3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の結晶からなる層を用いることができる。なお、ｘ３はＡｌの混晶比を示し、ｙ３はＩｎの混晶比を示し、ｚ３はＧａの混晶比を示す。

なかでも、第２のｐ型窒化物半導体層５としては、Ａｌを含まないｐ型Ｉｎ_y3Ｇａ_z3Ｎ（０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｙ３＋ｚ３≠０）の結晶からなる層（ｐ型ＩｎＧａＮ層）を用いることが好ましい。第２のｐ型窒化物半導体層５としてｐ型ＩｎＧａＮ層を用いた場合には、窒化物半導体活性層４の第２のｐ型窒化物半導体層５側の正孔濃度を実効的に上げることができる傾向にあり、大電流密度の電流を注入した場合における第２のｐ型窒化物半導体層５側へオーバーフローする電子量を低減することができる。すなわち、第２のｐ型窒化物半導体層５を構成するｐ型ＩｎＧａＮ層と窒化物半導体活性層４との間の格子不整合により、窒化物半導体活性層４の第２のｐ型窒化物半導体層５側の界面がプラスになるピエゾ電界が発生するため、窒化物半導体活性層４における第２のｐ型窒化物半導体層５側の正孔濃度が実効的に向上する。

また、第２のｐ型窒化物半導体層５としては、ｐ型ＩｎＧａＮ層のみを形成することもできるが、窒化物半導体活性層４側からｐ型ＩｎＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層の順に形成することもできる。

ここで、第２のｐ型窒化物半導体層５がｐ型ＩｎＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との積層体から構成される場合には、ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎおよびＧａの総原子数に対するＩｎの原子数の比が０．１以下であることが好ましい。この場合には、ｐ型ＩｎＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との界面のコンタクト抵抗の上昇を抑制することができる。

また、基板１としては、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ（ケイ素）またはＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなる基板を用いることができる。

また、ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえばｎ型のＡｌ_kＩｎ_lＧａ_mＮ（０≦ｋ≦１、０≦ｌ≦１、０≦ｍ≦１、ｋ＋ｌ＋ｍ≠０）結晶からなる窒化物半導体層を用いることができる。なお、ｋはＡｌの混晶比を示し、ｌはＩｎの混晶比を示し、ｍはＧａの混晶比を示す。

また、ｎ型窒化物半導体層２上に形成されるｎ側電極９としては、たとえば、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＡｌからなる群から選択された少なくとも１種の金属を用いて、オーミック接触をとるように形成されることが好ましい。ここで、ｎ側電極９は、エッチングによって第１のｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させ、その露出面上に形成することができる。

また、第２のｐ型窒化物半導体層５上に形成される透光性電極６としては、たとえば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはｎ型ＧａＮ等からなる膜を用いることができる。

また、透光性電極６上の形成されるｐ側電極８としては、たとえば、Ａｕ（金）膜、またはＴｉ（チタン）膜とＡｌ膜との積層体を用いることができる。

また、別途用意した導電性の支持基板に上記の第２のｐ型窒化物半導体層５の成長後のウエハの第２のｐ型窒化物半導体層５側を貼り付けることによって、ｎ型窒化物半導体層２側が光取り出し側、第２のｐ型窒化物半導体層５側を支持基板側とし、支持基板側に反射率の高いＡｌ、Ｐｔ（白金）およびＡｇ（銀）からなる群から選択された少なくとも１種の金属膜を形成して、上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることもできる。

なお、本発明において、ｎ型不純物としては、たとえばＳｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）およびＯ（酸素）からなる群から選択された少なくとも１種をドーピングすることが好ましい。

また、本発明において、ｐ型不純物としては、たとえばＭｇ（マグネシウム）および／またはＺｎ（亜鉛）等をドーピングすることができるが、活性化エネルギの小さいＭｇをｐ型不純物としてドーピングすることが好ましい。

なお、上記においては、窒化物半導体発光素子の場合について説明したが、本発明は窒化物半導体発光素子に限られず、窒化物半導体層を用いない半導体発光素子にも適用可能である。

（実施例１）
実施例１においては、図４の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

まず、サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。そして、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板１０１の温度を１０５０℃まで上昇させて、サファイア基板１０１の表面（Ｃ面）のクリーニングを行なう。

次に、サファイア基板１０１の温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流して、サファイア基板１０１の表面（Ｃ面）上にＧａＮバッファ層１０２をＭＯＣＶＤ法により約２０ｎｍの厚さでサファイア基板１０１上に成長させる。

次いで、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Ｓｉがドーピングされたｎ型ＧａＮ下地層１０３（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法により６μｍの厚さでＧａＮバッファ層１０２上に成長させる。

続いて、キャリア濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型ＧａＮ下地層１０３と同様にして、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４をＭＯＣＶＤ法により０．５μｍの厚さでｎ型ＧａＮ下地層１０３上に成長させる。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃に保持した状態で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングされたｐ型ＧａＮ層１０５をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さでｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に成長させる。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、ｐ型ＧａＮ層１０５上にアンドープの２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層と１８ｎｍの厚さのアンドープのＧａＮ層とを交互に６周期だけＭＯＣＶＤ法により成長させて、多重量子井戸構造を有する活性層１０６をｐ型ＧａＮ層１０５上に形成する。なお、活性層１０６の形成時において、ＧａＮ層を成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流さないことは言うまでもない。

次いで、サファイア基板１０１の温度を９５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたｐ型ＧａＮ層１０７をＭＯＣＶＤ法により０．１μｍの厚さで活性層１０６上に成長させる。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なう。

そして、上記のアニーリング後のウエハを反応炉から取り出し、そのウエハの最上層のｐ型ＧａＮ層１０７の表面上に所定の形状にパターンニングされたマスクを形成する。そして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、上記のウエハの一部についてｐ型ＧａＮ層１０７側からエッチングを行ない、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面の一部を露出させる。

そして、ｐ型ＧａＮ層１０７のほぼ全面に透光性電極としてＰｄ膜１０８を７ｎｍの厚さで形成し、Ｐｄ膜１０８上にｐ側電極としてＡｕ膜１０９を０．５μｍの厚さで形成する。一方、エッチングで露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面にはｎ側電極としてＴｉ膜とＡｌ膜との積層体１１０を形成する。

その後、ウエハを複数のチップに分割することによって、図４の模式的断面図に示す構成を有する実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、後述する電流密度と発光効率との関係において、ピークの発光効率に対する電流密度の増大による低下率を小さくすることができ、結果として、たとえば５０Ａ／ｃｍ²を超える大電流密度での電流注入によっても発光効率を高くすることができる。

また、高い発光効率を実現する上では、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のように活性層１０６をアンドープとすることが最も好ましく、活性層１０６のｐ型不純物の原子濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以下とするのが次に好ましい。

（実施例２）
ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４を成長させるところまでは実施例１と同一の条件および同一の方法で作製する。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃に保持した状態で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングされたｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さでｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に成長させる。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃に保持した状態で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングされたｐ型ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により１０ｎｍの厚さでｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層上に成長させる。

その後は、実施例１と同一の条件および同一の方法で活性層１０６の成長以降の工程を行なうことによって、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の構成とすることにより、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、電流密度と発光効率との関係において、ピークの発光効率に対する電流密度の増大による低下率を小さくすることができ、結果として、大電流密度での電流注入によっても発光効率を高くすることができる。

また、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層のＡｌおよびＧａの総原子数に対するＡｌの原子数の比が０．０５以上である場合には実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子よりも発光効率を高くすることができ、その比が０．５以下である場合には層の高抵抗化またはクラックの発生等を抑制することができる。

また、ｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層のＭｇの原子濃度は５×１０¹⁹／ｃｍ³以下であることが好ましい。Ｍｇの原子濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³を超える場合には活性層１０６の結晶性が悪化し、発光効率の低下を招く。

（実施例３）
ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４を成長させるところまでは実施例１と同一の条件および同一の方法で作製する。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃に保持した状態で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、ｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さでｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に成長させる。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃に保持した状態で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを反応炉内に流して、アンドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さでｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層上に成長させる。

その後は、実施例１と同一の条件および同一の方法で活性層１０６の成長以降の工程を行なうことによって、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子の構成とすることにより、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、電流密度と発光効率との関係において、ピークの発光効率に対する電流密度の増大による低下率を小さくすることができ、結果として、大電流密度での電流注入によっても発光効率を高くすることができる。

また、アンドープＧａＮ層がｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層からＭｇが活性層１０６に拡散されるのを抑制するため、電流密度によらず高い発光効率を実現することができる。

さらに、アンドープＧａＮ層を形成する代わりに不純物ガスとしてシラン等を用いてｎ型不純物であるＳｉをドーピングしてｎ型ＧａＮ層を形成してもよいが、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³よりも大きい原子濃度でドーピングした場合には空乏領域が活性層１０６にまで達し、結果として、活性層１０６の正孔濃度の低下を招くため、ｎ型ＧａＮ層のｎ型不純物の原子濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³以下であることが好ましく、アンドープであることが最も好ましい。

（実施例４）
活性層１０６を成長させるところまでは実施例１、２または３と同一の条件および同一の方法で作製する。

次に、サファイア基板１０１の温度を８５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の原子濃度でドーピングされたｐ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さで活性層１０６上に成長させる。

次に、サファイア基板１０１の温度を９５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の原子濃度でドーピングされたｐ型ＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により１００ｎｍの厚さでｐ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層上に成長させる。

その後は、実施例１、２または３と同一の条件および同一の方法でＰｄ膜１０８の形成以降の工程を行なうことによって、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子の構成とすることにより、実施例１、２または３の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、電流密度と発光効率との関係において、ピークの発光効率に対する電流密度の増大による低下率を小さくすることができる。なかでも、上記以外は実施例３と同一の条件および同一の方法で作製した実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子が最も好ましい。

実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層のＩｎおよびＧａの総原子数に対するＩｎの原子数の比が０．１以下である場合には駆動電圧の上昇を抑えることができる。

一方、上記のような結果を得るための上記のＩｎの原子数の比は、活性層１０６が６周期からなり、その厚さが１０５ｎｍである場合には０．０３以上であることが好ましく、活性層１０６が２周期からなり、その厚さが３５ｎｍである場合には０．０１以上であることが好ましい。

また、ｐ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層とｐ型ＧａＮ層との間に、サファイア基板１０１の温度を８５０℃として成長させた１０ｎｍ程度の厚さのｐ型ＧａＮ層を積層してもよい。この場合には、ｐ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ層の成長後の温度上昇時におけるＩｎの蒸発を抑制することができる傾向にある点で好ましい。

（実施例５）
ｐ型ＧａＮ層１０５を成長させるところまでは実施例１、２または３と同一の条件および同一の方法で作製する。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流して、ｐ型ＧａＮ層１０５上にアンドープの２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層と１５ｎｍの厚さのアンドープのＧａＮ層とを交互に任意の周期だけＭＯＣＶＤ法により成長させて、多重量子井戸構造を有する活性層１０６をｐ型ＧａＮ層１０５上に形成する。なお、活性層１０６の形成時において、ＧａＮ層を成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流さないことは言うまでもない。

その後は、実施例１、２または３と同一の条件および同一の方法でｐ型ＧａＮ層１０７の成長以降の工程を行なうことによって、実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子の構成とすることにより、活性層１０６が単一量子井戸構造の場合と比べて、井戸層からのキャリアのオーバーフローを小さくすることができ、たとえば５０Ａ／ｃｍ²を超える大電流密度での電流注入によっても発光効率を高くすることができる。

また、実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子において、活性層１０６の周期数の上限は活性層１０６における少数キャリアである電子の拡散長よりも活性層１０６の全層厚を小さくすることが好ましく、たとえば、実施例１、２、３および４を併せて最も好ましい条件の層構成とした場合、活性層１０６の正孔濃度はおおよそ１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³オーダーであり、そのときの電子の拡散長は１μｍ程度であることから、井戸数５７まで変更することができる。

（比較例１）
ｐ型ＧａＮ層１０５を成長させなかったこと以外は実施例１と同一の条件および同一の方法で比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

図５に、比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子に注入された電流の電流密度と発光効率との関係を示す。図５に示すように、電流密度が７Ａ／ｃｍ²のときに発光効率がピークとなり、それよりも電流密度が大きくなるにしたがって発光効率が低下していく。比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子において５０Ａ／ｃｍ²の電流密度の電流が注入されたときの発光効率のピークに対する低下率は約１３％である。

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、窒化物半導体発光ダイオード素子等の半導体発光素子の大電流密度での発光効率を向上することができるため、本発明の半導体発光素子および窒化物半導体発光素子は、たとえば照明分野の光源等に応用することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい他の一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例のエネルギバンド図である。 本発明の実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子に注入された電流の電流密度と発光効率との関係を示す図である。

符号の説明

１ 基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３ 第１のｐ型窒化物半導体層、４ 窒化物半導体活性層、５ 第２のｐ型窒化物半導体層、６ 透光性電極、８ ｐ側電極、９ ｎ側電極、１０ 窒化物半導体層、１０１ サファイア基板、１０２ ＧａＮバッファ層、１０３ ｎ型ＧａＮ下地層、１０４ ｎ型ＧａＮコンタクト層、１０５ ｐ型ＧａＮ層、１０６ 活性層、１０７ ｐ型ＧａＮ層、１０８ Ｐｄ膜、１０９ Ａｕ膜、１１０ 積層体。

Claims (12)

1. ｎ型半導体層と、活性層と、を含み、
   前記ｎ型半導体層と前記活性層との間に第１のｐ型半導体層を備え、
   前記活性層から見て前記第１のｐ型半導体層がある側とは反対側に第２のｐ型半導体層を備えた、半導体発光素子。
2. ｎ型窒化物半導体層と、窒化物半導体活性層と、を含み、
   前記ｎ型窒化物半導体層と前記窒化物半導体活性層との間に第１のｐ型窒化物半導体層を備え、
   前記窒化物半導体活性層から見て前記第１のｐ型窒化物半導体層がある側とは反対側に第２のｐ型窒化物半導体層を備えた、窒化物半導体発光素子。
3. 前記第１のｐ型窒化物半導体層に接するようにして設置されたＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記第１のｐ型窒化物半導体層はＡｌを含む窒化物半導体層を含むことを特徴とする、請求項２または３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第１のｐ型窒化物半導体層に含まれるＡｌ、ＧａおよびＩｎの総原子数に対するＡｌの原子数の比が０．０５以上０．５以下であることを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記第１のｐ型窒化物半導体層と前記窒化物半導体活性層との間にｐ型不純物を含まない窒化物半導体層を含むことを特徴とする、請求項２から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記第１のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物の原子濃度は５×１０¹⁹／ｃｍ³以下であることを特徴とする、請求項２から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記窒化物半導体活性層のｐ型不純物の原子濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以下であることを特徴とする、請求項２から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記窒化物半導体活性層はアンドープであることを特徴とする、請求項２から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記第２のｐ型窒化物半導体層はｐ型ＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする、請求項２から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎおよびＧａの総原子数に対するＩｎの原子数の比が０．１以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記窒化物半導体活性層は、井戸数が２以上の多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項２から１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。

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