JP2011119333A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を提供することにある。さらには、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【解決手段】窒化物半導体発光ダイオード素子２０は、ｎ型窒化物半導体層１２と、ｎ型窒化物半導体層１２上に形成された発光層１３と、発光層１３上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層１４と、第１のｐ型窒化物半導体層１４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層上に形成された中間層１５と、中間層１５の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層１６とを備え、中間層１５は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物からなる。
【選択図】図２
【解決手段】窒化物半導体発光ダイオード素子２０は、ｎ型窒化物半導体層１２と、ｎ型窒化物半導体層１２上に形成された発光層１３と、発光層１３上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層１４と、第１のｐ型窒化物半導体層１４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層上に形成された中間層１５と、中間層１５の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層１６とを備え、中間層１５は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物からなる。
【選択図】図２
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
窒化物半導体は、可視光の全領域ばかりか紫外線領域に至る広範囲の光を発する特性のため、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子として非常に有用である。窒化物半導体発光素子は、ｎ側電極、ｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極を主構成要素とする。
窒化物半導体発光素子の課題の一つとして、ｐ型ドーパントの活性化エネルギーが高いことから高キャリア濃度のｐ型窒化物半導体層を得ることが難しく、ｐ型窒化物半導体層と、金属や透光性導電膜などからなるｐ側電極との接触抵抗が高くなり、窒化物半導体発光素子の動作電圧が高くなることが挙げられる。
上記課題に対して、従来、ｐ型窒化物半導体層においては、ｐ側電極と接する層を高キャリア濃度に形成可能なｐ型ＩｎＧａＮとする、あるいはＭｇの濃度を上げるなどの方法が、ｐ側電極においては、金属を用いる場合はＰｄやＮｉなどの仕事関数の高い金属を選択し、また透光性導電膜を採用する構成の場合は、透光性導電膜の製膜後のアニール条件を工夫するなどの方法が、提案されてきた。
さらに、窒化物半導体発光素子の他の課題として、窒化物半導体層の屈折率はたとえば２．５程度と高く、したがってｐ型窒化物半導体層と透光性導電膜とが接触する構成の発光ダイオードにおいては、その接触界面で全反射が生じ、発光効率が低下することが挙げられる。
上記課題に対して、特許文献１では、ｐ型窒化物半導体層の表面を凹凸に形成することにより、散乱、回折を生じさせ、全反射量を小さくして、光取り出し効率の改善を図る方法が提案されている。
しかしながら、ｐ型ＩｎＧａＮをコンタクト層に用いる場合、ＩｎＧａＮ層は低温で成長させるのでｐ型ドーパントであるＭｇが活性化される、発光波長において吸収が起こるなどが生じやすい。また、Ｍｇの濃度を上げる場合は自己補償効果によりキャリア密度が有効に上がらないことがある。これらが原因で、ｐ型窒化物半導体層とｐ側電極との接触抵抗が有効に低下しない、あるいは上がってしまうという問題があった。
また、特許文献１の方法では、ｐ型窒化物半導体層の表面の凹凸加工におけるマスク除去工程により、ｐ型窒化物半導体層にダメージを与えることがあり、接触抵抗が上昇してしまうという問題があった。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を提供することにある。さらには、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することにある。
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、当該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、当該発光層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層と、第１のｐ型窒化物半導体層の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層上に形成された中間層と、当該中間層の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層とを備え、当該中間層は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物からなる、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、上記中間層は、自然形成によりパターニングされ形成され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２のｐ型窒化物半導体層の上面は、凹凸形状となっ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の一態様において、窒化物半導体発光素子は窒化物半導体発光ダイオード素子であり、第２のｐ型窒化物半導体層上に形成されたｐ側透光性導電膜をさらに備える。
上記ｐ側透光性導電膜は、好ましくは、酸化インジウムスズ、二酸化スズ、酸化亜鉛のいずれかからなる。
本発明の窒化物半導体発光素子において、第１のｐ型窒化物半導体層の上記中間層と接する面はｐ型ＧａＮ層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、第２のｐ型窒化物半導体層の上記中間層と接する面はｐ型ＧａＮ層であることが好ましい。
本発明の窒化物半導体発光素子において、上記中間層は、１０ｎｍ以下の厚さであることが好ましい。
本発明によれば、動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。さらには、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することができる。
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、当該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、当該発光層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層と、第１のｐ型窒化物半導体層の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層上に形成された中間層と、当該中間層の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層とを備え、当該中間層は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物からなる、窒化物半導体発光素子に関する。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。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すものとする。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
＜窒化物半導体発光素子＞
図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の積層体を示す模式的な断面図である。積層体１０は、基板１と、基板１上に形成されたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２上に形成された発光層３と、発光層３上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層４と、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層４上に形成された中間層５と、中間層５の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層６とを備える。中間層５は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物から構成される。
図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の積層体を示す模式的な断面図である。積層体１０は、基板１と、基板１上に形成されたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２上に形成された発光層３と、発光層３上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層４と、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層４上に形成された中間層５と、中間層５の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層６とを備える。中間層５は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物から構成される。
中間層５は、第１の窒化物半導体層４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１の窒化物半導体層４上に形成されており、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面に離散的に形成されているものであっても、あるいは複数の孔を有する層で形成されているものであってもよい。第１のｐ型窒化物半導体層４の表面の内、中間層５で覆われていない領域、すなわち中間層５が形成されていない領域、あるいは中間層の孔に該当する領域を「露出領域」といい、中間層５で覆われている領域を「被覆領域」という。第１のｐ型窒化物半導体層４と第２のｐ型窒化物半導体層６とは、露出領域では直接的に接し、被覆領域では中間層５を介して接する。
ここで、ｎ型窒化物半導体層２、発光層３、第１のｐ型窒化物半導体層４、第２のｐ型窒化物半導体層６はいずれも、窒化物半導体により構成されるものであるが、このような窒化物半導体は、代表的にはＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ｘ、ｙは、いずれも０以上１以下）で示される半導体を意味するが、それのみに限られるものではなく、ｎ型化またはｐ型化のために任意の元素を添加したものを含まれる。
以下、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の各構成要素について製造方法の一例とともに説明する。
まず、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法などによって、基板１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、発光層３、第１のｐ型窒化物半導体層４、中間層５、第２のｐ型窒化物半導体層６をこの順序で積層する。
（基板）
基板１としては、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、サファイア基板、スピネル基板または酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板などの様々な基板を用いることができる。なお、基板１としては、サファイア基板を用いることが好ましい。基板１としてサファイア基板を用いた場合には、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造コストを低減することができるとともに、安定して本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード素子を製造することができる。
基板１としては、たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、サファイア基板、スピネル基板または酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板などの様々な基板を用いることができる。なお、基板１としては、サファイア基板を用いることが好ましい。基板１としてサファイア基板を用いた場合には、本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造コストを低減することができるとともに、安定して本実施形態の窒化物半導体発光ダイオード素子を製造することができる。
基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面は凹凸形状を有している。窒化物半導体発光ダイオード素子１０においては、基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面に凹凸を設けることによって、発光層３から発生した光のうち基板１側に進行した光の基板１の表面の凹凸面による光の散乱効果および回折効果により、多くの光を外部に取り出すことができる。基板１の表面の凹凸は、たとえば基板１のｎ型窒化物半導体層２側の表面をエッチングすることなどによって形成することができる。ここで、基板１の表面の凹凸における凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の間隔で複数形成されており、個々の凹部はたとえば０．０５μｍ以上１０μｍ以下の深さに形成されている。なお、表面が凹凸の基板１に代えて、表面が平面の基板を用いることもできる。
（ｎ型窒化物半導体層）
ｎ型窒化物半導体層２は、単層のみに限られるものではなく複数層を積層したものであってもよい。このようなｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば低温バッファ層、ＡｌＮバッファ層、アンドープ層、ｎ型ドーピング層等を用いることができる。窒化物半導体がアンドープである場合、一般的にはｎ型導電を示すのでｎ型窒化物半導体層２としてアンドープ窒化物半導体層を用いることもできる。
ｎ型窒化物半導体層２は、単層のみに限られるものではなく複数層を積層したものであってもよい。このようなｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば低温バッファ層、ＡｌＮバッファ層、アンドープ層、ｎ型ドーピング層等を用いることができる。窒化物半導体がアンドープである場合、一般的にはｎ型導電を示すのでｎ型窒化物半導体層２としてアンドープ窒化物半導体層を用いることもできる。
窒化物半導体に導入するｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ等を用いることができる。これらの中でもｎ型窒化物半導体層２の抵抗率を低減するという観点から、ｎ型窒化物半導体層２が単層の場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができ、これにＳｉを含んでいてもよいし、アンドープ層を含んでいてもよい。また、ｎ型窒化物半導体層２が複数層の場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよい。
ｎ型窒化物半導体層２の形成において、まず、基板１をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。次に、基板１の温度をたとえば１０５０℃に調整し、窒素と水素とを含むキャリアガスを用いて、III族原料ガス、ｎ型ドーパントを含むドーピングガス、およびアンモニアガス等をＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、基板１上にｎ型窒化物半導体層２を結晶成長させる。
なお、ｎ型窒化物半導体層２を形成するために装置内に導入されるIII族原料ガスとしては、たとえばＴＭＧ（（ＣＨ3）3Ｇａ：トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ：トリエチルガリウム）、ＴＭＡ（（ＣＨ3）3Ａｌ：トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ：トリエチルアルミニウム）、ＴＭＩ（（ＣＨ3）3Ｉｎ：トリメチルインジウム）、またはＴＥＩ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｉｎ：トリエチルインジウム）等を利用することができる。また、ｎ型ドーパントをＳｉとする場合、Ｓｉを含むドーピングガスとしては、たとえばＳｉＨ4（シラン）ガス等を用いることができる。
（発光層）
発光層３は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層とを含むことが好ましい。井戸層の厚さは、井戸層が発光する波長により最適な層厚は異なるが、２〜２０ｎｍの範囲であることが好ましく、ｎ型窒化物半導体層２の結晶品質が高まるにつれて、井戸層の層厚は厚くすることができる。このような発光層３の構造は、量子構造に限られるものではなく、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造等のいずれであってもよい。量子構造とは井戸構造の厚さが１０ｎｍ以下のときを示す。
発光層３は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層とを含むことが好ましい。井戸層の厚さは、井戸層が発光する波長により最適な層厚は異なるが、２〜２０ｎｍの範囲であることが好ましく、ｎ型窒化物半導体層２の結晶品質が高まるにつれて、井戸層の層厚は厚くすることができる。このような発光層３の構造は、量子構造に限られるものではなく、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造等のいずれであってもよい。量子構造とは井戸構造の厚さが１０ｎｍ以下のときを示す。
発光層３が複数の井戸層を含む場合、少なくとも１つの井戸層は、発光層として機能するものである。このような井戸層は、ＩｎqＧａ1-qＮ（０＜ｑ＜１）からなることが好ましい。発光層３の最上層には、次に積層される第１のｐ型窒化物半導体層４を成長させる際に井戸層が蒸発しないように、蒸発防止層とすることもできる。蒸発防止層は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮから形成されることが好ましい。
発光層３の形成は、ｎ型窒化物半導体層２の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置内で行うことができる。ＭＯＣＶＤ装置内に供給されるＩｎの先駆物質としては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＭ（トリエチルインジウム）などが挙げられるが、特にこれらの材料に限定されるものではなく、Ｉｎを含むいかなる材料をも用いることができる。
（第１のｐ型窒化物半導体層）
第１のｐ型窒化物半導体層４は、単層または複数層のいずれであってもよく、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮに対しｐ型不純物をドープしたものを用いることができる他、アンドープのものを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層６が複数層の場合は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよい。なお、中間層５と接する表面を形成する層はｐ型ＧａＮからなる構成が好ましい。ＧａＮは、発光波長における吸収係数が小さく光取り出し効率低下を防ぐことができる点、および直上の中間層５との接触抵抗を低くすることができる点からから好ましく用いられる。
第１のｐ型窒化物半導体層４は、単層または複数層のいずれであってもよく、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮに対しｐ型不純物をドープしたものを用いることができる他、アンドープのものを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層６が複数層の場合は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよい。なお、中間層５と接する表面を形成する層はｐ型ＧａＮからなる構成が好ましい。ＧａＮは、発光波長における吸収係数が小さく光取り出し効率低下を防ぐことができる点、および直上の中間層５との接触抵抗を低くすることができる点からから好ましく用いられる。
このような第１のｐ型窒化物半導体層４の厚みは１５００ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層４の厚みが１５００ｎｍを超えると、発光層３が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることになり、発光層３の熱劣化による非発光領域が増大するおそれがある。
第１のｐ型窒化物半導体層４の形成は、ＭＯＣＶＤ装置内の温度をｐ型窒化物半導体層を結晶成長するのに適した基板１の温度にした後に、窒素および水素を含むキャリアガスと、III族原料ガスと、ｐ型ドーパントを含むドーピングガスと、アンモニアガスとをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより第１のｐ型窒化物半導体層４を結晶成長させることができる。
ここで、Ｍｇをｐ型ドーパントして用いる場合、ドーピングガスとしては、たとえばＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）または（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）等を利用することができる。なお、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇは常温常圧下で液体なので、その条件下で固体であるＣｐ2Ｍｇに比べて、ＭＯＣＶＤ装置内への導入量を変化させたときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保ちやすい。
なお、第１のｐ型窒化物半導体層４の形成に用いられるIII族原料ガスおよびアンモニアガスとしては、ｎ型窒化物半導体層２および発光層３の場合と同様の種類のガスを用いることができる。
（中間層）
次に、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層４上に中間層５を形成する。中間層５は、自然形成によりパターニングされ形成されたものが好ましい。ここで、自然形成によりパターニングされた中間層５とは、結晶成長後にたとえばエッチングなどにより一部を除去してパターンニングし形成したパターンではなく、結晶成長と同時にパターニングが進行し形成されたパターンを言う。
次に、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層４上に中間層５を形成する。中間層５は、自然形成によりパターニングされ形成されたものが好ましい。ここで、自然形成によりパターニングされた中間層５とは、結晶成長後にたとえばエッチングなどにより一部を除去してパターンニングし形成したパターンではなく、結晶成長と同時にパターニングが進行し形成されたパターンを言う。
中間層５は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物からなる。その他の構成元素として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を含んでいてもよいが、Ｓｉのモル比が大きいことが好ましい。このような化合物は、化合物の結晶成長時の条件を調整することにより、結晶成長とともに中間層５が形成されるように制御することができる。したがって、除去工程を経ることなく中間層５を形成することができるため、除去工程で与える下層表面へのダメージにより生じる接触抵抗上昇を防ぐことができる。中間層５の形成温度は、発光層３の熱ダメージを防ぐため基板１上温度が１０００℃以下であることが好ましい。
また、中間層５の積層方向の厚みは１０ｎｍ以下であることが好ましい。上記化合物によると、１０ｎｍ以下の薄い中間層５の形成が可能である。たとえばＳｉＯ２などのマスク材料を用いた場合には、マスク材料の屈折率が窒化物半導体に対して低いことにより光の反射が生じやすく光取り出し効率が低下すること、マスク材料の絶縁性によりシリーズ抵抗の上昇が生じ動作電圧が上がること、等の問題があるが、本発明では中間層５の厚みを１０ｎｍ以下とすることができ、この場合、光子（光）、キャリア（電子、正孔）がトンネリングすることができ、ＳｉＯ２におけるような問題は生じない。
ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物の結晶は、ＭＯＣＶＤ装置、ＭＢＥ装置で形成することが可能であり、その他の層である窒化物半導体層と同じ装置で連続的に形成することが可能であるので、製造途中の素子を大気にさらす必要がなく、大気にさらすことにより生じる自然酸化膜の付着などの問題点が回避される。自然酸化膜は、接触抵抗を上げる要因となる。ＭＯＣＶＤ装置内でＳｉＮからなる中間層５を形成する場合は、シランガスとアンモニアを同時に流すことにより形成することができる。
ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物の結晶により、フォトリソグラフィーを用いることなく、自然形成により中間層５を形成することができる。フォトリソグラフィーによると、パターニングの精度をｎｍオーダーで制御することが困難であり、とりわけ積層方向（厚み）に関して１０ｎｍ以下とすることは困難である。一方、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物の自然形成による中間層５は、形成条件を調整することにより数ｎｍオーダーでの制御が可能であり、所望の中間層５の形成、さらにはその上に積層される第２のｐ型窒化物半導体層６の所望の凹凸構造の形成が可能である。第２のｐ型窒化物半導体層６を所望の凹凸構造に形成できることにより、高い光取り出し効率を実現することができる。
中間層５は下地層である半導体成長を阻害してしまうため、中間層５には孔、あるいは隙間などの不形成部分が必要である。中間層５の離散度、あるいは孔の密度は、例えば中間層５の形成時間により調整することができる。形成時間が短すぎると中間層が十分形成されず、形成時間が長すぎると層として下地を完全に覆ってしまう。両者の中間とすることが好適である。
（第２のｐ型窒化物半導体層）
第１のｐ型窒化物半導体層４の表面に中間層５が形成され、さらにその上に、第２のｐ型窒化物半導体層６が形成される。上述のように、第１のｐ型窒化物半導体層４上は、中間層５により、露出領域と、被覆領域とに区別される。被覆領域では、その上に形成される第２の窒化物半導体層６の結晶成長が阻害される。したがって、被覆領域では第２の窒化物半導体層６の結晶は成長しない。一方、露出領域では垂直方向に第２の窒化物半導体層６の結晶が成長していく。そして、露出領域から始まった結晶成長はやがて横方向に広がり、中間層５の上部に回り込む。中間層の上部は特定の結晶方位を有していないのでこの部分では単結晶化し易く、この部分の半導体層は転位が生じにくく、半導体層の結晶性が向上する。あるいは、第１の窒化物半導体層４の転位が中間層５で止められ、第２のｐ型窒化物半導体層６の形成工程における再度の核形成過程を経て、転位が横方向に曲げられることにより、貫通転位低減を図ることが可能であり、これにより第２のｐ型窒化物半導体層６の結晶品質が向上する。
第１のｐ型窒化物半導体層４の表面に中間層５が形成され、さらにその上に、第２のｐ型窒化物半導体層６が形成される。上述のように、第１のｐ型窒化物半導体層４上は、中間層５により、露出領域と、被覆領域とに区別される。被覆領域では、その上に形成される第２の窒化物半導体層６の結晶成長が阻害される。したがって、被覆領域では第２の窒化物半導体層６の結晶は成長しない。一方、露出領域では垂直方向に第２の窒化物半導体層６の結晶が成長していく。そして、露出領域から始まった結晶成長はやがて横方向に広がり、中間層５の上部に回り込む。中間層の上部は特定の結晶方位を有していないのでこの部分では単結晶化し易く、この部分の半導体層は転位が生じにくく、半導体層の結晶性が向上する。あるいは、第１の窒化物半導体層４の転位が中間層５で止められ、第２のｐ型窒化物半導体層６の形成工程における再度の核形成過程を経て、転位が横方向に曲げられることにより、貫通転位低減を図ることが可能であり、これにより第２のｐ型窒化物半導体層６の結晶品質が向上する。
以上のように、第２のｐ型窒化物半導体層６の結晶品質が向上することにより、第２のｐ型窒化物半導体層６において、１×１０１８／ｃｍ３以上の高いキャリア濃度を実現することができ、その上に形成されるｐ側透光性導電膜７との接触抵抗を下げることができる。
第２のｐ型窒化物半導体層６は、その上面が凹凸形状であることが好ましい。上面が凹凸形状とは、その上面のみが凹凸形状である場合も、あるいは、離散的に形成された凸部により全体として凹凸形状である場合も含む。第２のｐ型窒化物半導体層６は、第１のｐ型窒化物半導体層４の露出領域から中間層５の上部に広がって形成されるので、通常の工程により凹凸状に形成することができる。第２のｐ型窒化物半導体層６の表面が凹凸形状であることにより、高い光の取り出し効率を実現することができる。第２のｐ型窒化物半導体層６の凹凸形状は、中間層５の成長時間、成長温度、または第２のｐ型窒化物半導体層６層のドーパント濃度、成長温度、Ｖ／III比（３族元素に対するアンモニアのモル比）、膜厚などを変えることにより任意に変更できる。
第２のｐ型窒化物半導体層６の凹凸形状のスケールは、１０μｍ以下の周期、かつ最大高さであることが好ましく、さらには、高い光取り出し効率が得られるように、発光波長を大きく上回る周期、最大高さであることが好ましい。なお、厚さが１０ｎｍより小さい場合は光がトンネルしてしまうので、１０ｎｍ以上の周期、かつ最大高さであることが好ましい。
第２のｐ型窒化物半導体層６は、単層のみに限られるものではなく複数層を積層したものであってもよい。このような第２のｐ型窒化物半導体層６としては、たとえばｐ型ドーピング層、Ｉｎを含む窒化物半導体層のいずれかを含んでもよい。なお、第２のｐ型窒化物半導体層６の中間層５と接する面は、ｐ型ＧａＮ層からなる構成が最も好ましい。ｐ型ＧａＮ層は、凹凸構造ができる成長条件が広い点、形状の制御が容易で、最適な凹凸設計により高い光取り出し効率を実現できる点、発光波長における吸収係数が小さく光取り出し効率低下を防ぐことができる点から好ましい。
第２のｐ型窒化物半導体層６は、ＭＯＣＶＤ装置内で、第１のｐ型窒化物半導体層４の形成時に用いたガスと同様の、窒素および水素を含むキャリアガスと、III族原料ガスと、ｐ型ドーパントを含むドーピングガスと、アンモニアガスを用いて形成することができる。第２のｐ型窒化物半導体層６の成長温度は、発光層３の熱ダメージを防ぐために基板上温度が１０００℃以下であることが好ましい。
（ｐ側透光性導電膜）
次に、たとえばスパッタ法などによって、第２の窒化物半導体層６の表面上にｐ側透光性導電膜７を積層して積層体１０を形成する。
次に、たとえばスパッタ法などによって、第２の窒化物半導体層６の表面上にｐ側透光性導電膜７を積層して積層体１０を形成する。
ｐ側透光性導電膜７は、第２のｐ型窒化物半導体層６の表面を被覆するように形成されるので、第２のｐ型窒化物半導体層６の表面形状を反映し凹凸形状となる。ｐ側透光性導電膜７は、第２のｐ型窒化物半導体層６と接触し、透光性の電極としての機能を果たすものである。このようなｐ側透光性導電膜７に用いられる材料としては、特に限定されることはなく、いかなる材料をも使用することができる。たとえば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：indium tin oxide）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、薄膜の金属電極（Ｐｄ、Ｎｉなど）、ナノワイヤ金属電極などが挙げられる。導電性が良好である点からＩＴＯ、ＺｎＯが好ましく用いられ、また化学的安定性が良い点からＳｎＯ２が好ましく用いられる。ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯは、下の層である第２のｐ型窒化物半導体層６がｐ型ＧａＮから形成される場合に、ｐ型ＧａＮとの接触抵抗が低く好ましく用いられる。
（ｐ電極、ｎ電極）
次に、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の積層体１０の一部をエッチングなどにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させる。
次に、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の積層体１０の一部をエッチングなどにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させる。
その後、たとえばＥＢ蒸着法などによって、ｎ型窒化物半導体層２の露出面にｎ側電極を形成するとともに、ｐ側透光性導電膜７の表面上にｐ側電極を形成することによって、窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる。このようなｐ電極およびｎ電極は、従来公知のものを採用することができ、たとえばＴｉ、Ａｌ、Ａｕ等を用いることができる。また、ｐ電極およびｎ電極は、単層構造に限られるものではなく、多層構造とすることもできる。
上記のようにして作製された窒化物半導体発光ダイオード素子においては、第２のｐ型窒化物半導体層６とｐ側透光性導電膜７との間の接触抵抗を低減することができ、動作電圧を低くすることができる。また、第２のｐ型窒化物半導体層６が凹凸形状に形成されることにより、一部の光が散乱、回折を受けるので全反射量を小さくすることができ、光の取り出し効率を改善することができる。
上記で好適な実施形態を説明した窒化物半導体発光素子は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。たとえば、上記においては窒化物半導体発光素子として、窒化物半導体発光ダイオードのみを例示したが、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体レーザとしても構成することができるものである。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図２は、本実施例で作製される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。
以下に示す手順により、窒化物半導体発光ダイオード素子２０を作製する。まず、凹凸加工したサファイヤ基板１１をＭＯＣＶＤ装置の中に入れ、基板温度１０００℃でサーマルクリーニングのあと、６００℃でＧａＮからなる低温バッファ層２０ｎｍ、１０００℃でアンドープＧａＮ層２μｍ、Ｓｉが５×１０１８／ｃｍ３の原子濃度でドーピングされたｎ−ＧａＮ層３μｍを順に積層し、ｎ型窒化物半導体層１２とする。
その後７５０℃でＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層２．５ｎｍ、ＧａＮ障壁層８ｎｍを６周期交互に積層させ、発光層１３とする。このとき最上層はＧａＮ障壁層とし、この層はＩｎの蒸発防止層を兼ねる。その後１０００℃でＭｇが５×１０１９／ｃｍ３の原子濃度のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを２０ｎｍ、Ｍｇが５×１０１９／ｃｍ３の原子濃度のＧａＮを８０ｎｍ順に積層し、第１のｐ型窒化物半導体層１４とする。次に９００℃でシラン、アンモニアを１３分間供給し、中間層１５を形成する。このときの中間層１５の厚みは、約１０ｎｍ以下である。中間層１５の形成により、第１のｐ型窒化物半導体層１４の露出領域と、被覆領域とが区別される。
次に９００℃でＭｇが５×１０１９／ｃｍ３の原子濃度のＧａＮを積層させ、第２のｐ型窒化物半導体層１６とする。このときの凹凸の高さは１００ｎｍ〜１μｍ、周期はランダムであるが、おおよそのスケールとしては５００ｎｍ〜２μｍである。
次に形成途中の積層体をＭＯＣＶＤ装置から取り出したあと、スパッタ装置でＩＴＯを１５０ｎｍの厚さで積層し、ｐ側透光性導電層１７とする。
その後、ｐ側よりフォトリソグラフィー技術を用いて、所望の範囲をＲＩＥ（reactive ion eching）でｎ型窒化物半導体層１２のｎ−ＧａＮ層までエッチングし、ｐ側透光性導電膜１７、ｎ−ＧａＮ層上にそれぞれＡｕ／Ｔｉ／Ａｌからなるｐ側パット電極１８、ｎ側パット電極１９を形成する。
この窒化物半導体発光ダイオード素子２０において、中間層１５が第２のｐ型窒化物半導体層１６の凹凸形成を促進し、第２の窒化物半導体層１６とｐ側透光性電極１７の界面が凹凸であること、そのまま引き継がれて、ｐ側透光性電極１７と樹脂、もしくは空気の界面が凹凸であることから光取り出し効率の高い発光ダイオードを提供することができる。
また、第２のｐ型窒化物半導体層１６を高いキャリア濃度で構成することができるので、第２の窒化物半導体層１６とｐ側透光性電極１７との接触抵抗が上昇せず、動作電圧の低い発光ダイオードを提供することができる。
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。
１，１１ 基板、２，１２ 第１のｎ型窒化物半導体層、３，１３ 発光層、４，１４ 第１のｐ型窒化物半導体層、５，１５ 中間層、６，１６ 第２のｐ型窒化物半導体層、７，１７ ｐ側透光性導電膜、１０ 積層体、１８ ｐ側パット電極、１９ ｎ側パット電極、２０ 窒化物半導体発光ダイオード素子。
Claims (8)
- ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層と、
第１のｐ型窒化物半導体層の表面を被覆する部分と露出させる部分とが繰り返されるように第１のｐ型窒化物半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層とを備え、
前記中間層は、ＳｉとＮとを構成元素として含む化合物からなる、窒化物半導体発光素子。 - 前記中間層は、自然形成によりパターニングされ形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 第２のｐ型窒化物半導体層の上面は、凹凸形状となっている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 第２のｐ型窒化物半導体層上に形成されたｐ側透光性導電膜をさらに備え、窒化物半導体発光ダイオード素子である請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ｐ側透光性導電膜は、酸化インジウムスズ、二酸化スズ、酸化亜鉛のいずれかからなる、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
- 第１のｐ型窒化物半導体層の前記中間層と接する面はｐ型ＧａＮ層である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 第２のｐ型窒化物半導体層の前記中間層と接する面はｐ型ＧａＮ層である、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記中間層は、１０ｎｍ以下の厚さである、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
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