JP2013122950A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】III 族窒化物半導体発光素子において、駆動電圧を上昇させることなく、発光効率を向上させること。
【解決手段】III 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上に、III 族窒化物半導体からなるｎコンタクト層１１、ｎクラッド層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層された構造を有している。ｎクラッド層１２は、ｎコンタクト層１１側から順に高不純物濃度層１２０、低不純物濃度層１２１の２層で構成されていて、低不純物濃度層１２１が発光層１３に接する。低不純物濃度層１２１は、高不純物濃度層１２０よりもｎ型不純物濃度が低い層であり、ｎ型不純物濃度がｐクラッド層のｐ型不純物濃度の１／１０００〜１／１００であり、厚さが１０〜４００Åである。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動電圧を上昇させずに発光効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。特に、ｎ側で発光層に接する層に特徴を有するものに関する。

III 族窒化物半導体発光素子の発光効率向上のために、ｎクラッド層のキャリア濃度を発光層に近いほど低濃度とする方法が知られている（特許文献１）。この特許文献１では、ｎクラッド層として、基板側から順に、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³ で厚さ３．５μｍのｎ−ＧａＮ層、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³ で厚さ０．５μｍのｎ−ＧａＮ層、の２層構造とした例が示されている。

また、特許文献２には、基板と発光層との間に、基板側から順に第１窒化物半導体層、第２窒化物半導体層、第３窒化物半導体層を有し、第３窒化物半導体層は、ｎ型不純物が１×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下、厚さが１０〜１５０ｎｍであるIII 族窒化物半導体発光素子が示されている。第３窒化物半導体層がこのようなｎ型不純物濃度であると、第３窒化物半導体層の結晶性がよくなり、その上に形成される発光層の結晶性もよくなるため、発光効率を向上させることができる。また、第３窒化物半導体層が上記範囲の厚さであると、良好に駆動電圧を低下させることができる。

また、特許文献３には、発光層のｎ側に接して、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層が繰り返し積層された超格子構造のｎクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子が示されており、そのｎクラッド層の厚さは、２５〜１０００Åが好ましいと記載されている。厚さをこのような範囲とすることで、結晶性を改善することができ、発光効率を向上させることができる。また、第１、第２窒化物半導体層にはｎ型不純物をドープしてもよいし、アンドープとしてもよいと記載されている。

特開平１０−１７３２３１ 特開平１１−２１４７４６ 特開２０００−２３２２３６

III 族窒化物半導体中の電子は、その有効質量の小ささから正孔よりも移動度が大きい。そのため、発光層のｎ側に接する層のｎ型不純物を高くすると、発光層内の電子・正孔対がｐ側に偏って集中・飽和してしまったり、電子が発光層を通過してｐ側にオーバーフローしてしまう。一方、逆に特許文献１〜３のように発光層のｎ側に接する層のｎ型不純物を低くしても、その低濃度層が厚い場合に発光層での電子と正孔との分布のバランスが悪化してしまう。その結果、正孔が発光層を通過してｎ側にオーバーフローしてしまい、発光効率を低下させてしまうという問題があった。また、発光層のｎ側に接する層をアンドープとすると、駆動電圧を上昇させてしまう。

そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体発光素子において、駆動電圧を上昇させずに、発光効率を向上させることである。

第１の発明は、発光層と、発光層上にｐクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層のｐクラッド層側とは反対側に位置し、ｎ型不純物がドープされた高不純物濃度層と、高不純物濃度層と発光層との間であって発光層に接して位置し、その高不純物濃度層よりもｎ型不純物濃度が低い低不純物濃度層と、を有し、低不純物濃度層は、ｎ型不純物濃度が、ｐクラッド層のｐ型不純物濃度の１／１０００〜１／１００であり、厚さが１０〜４００Åである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

低不純物濃度層は、ｎクラッド層であってもよく、高不純物濃度層もまた、ｎクラッド層であってもよい。もちろん、ｎクラッド層とは別に新規に設けた層であってもかまわない。また、低不純物濃度層、高不純物濃度層は、超格子構造であってもよいし、単層あるいは超格子構造ではない複数の層で構成されていてもよい。超格子構造とする場合には、たとえば、アンドープまたはｎ型不純物ドープのＩｎＧａＮと、アンドープまたはｎ型不純物ドープのＧａＮの少なくとも２層が積層された構造を１単位として、これが複数単位繰り返し積層された構造を採用することができる。

発光層やｐクラッド層は従来より知られる任意の構成でよい。発光層は、たとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮなどからなるＭＱＷ構造である。ｐクラッド層は、たとえば、ｐ−ＩｎＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮや、ｐ−ＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮなどからなる超格子構造や、ｐ−ＡｌＧａＮからなる単層である。

また、本発明における高不純物濃度層、低不純物濃度層のｎ型不純物濃度、あるいはｐクラッド層のｐ型不純物濃度は、その層全体での平均濃度を示すものである。したがって、層の厚さ方向に濃度勾配が存在したり、複数の層で構成されている場合にそのいくつかの層が本発明に示された濃度範囲を満たさない場合であっても、層全体としての平均の濃度が本発明に示された範囲を満たすのであればかまわない。

ｎ型不純物にはＳｉを用いるのが一般的であるが、Ｇｅ、Ｃなどを用いることもできる。また、ｐ型不純物にはＭｇを用いるのが一般的であるが、Ｚｎなどを用いることもできる。

低不純物濃度層のｎ型不純物濃度は、高不純物濃度層よりもｎ型不純物の濃度が低く、かつ、ｐクラッド層のｐ型不純物濃度の１／１０００〜１／１００となる範囲であれば任意でよい。望ましくは、低不純物濃度層のｎ型不純物濃度を１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ とすることである。また、ｐクラッド層のｐ型不純物濃度は１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³ とすることが望ましい。また、高不純物濃度層のｎ型不純物濃度は、低不純物濃度層よりも濃度が高ければ任意の濃度でよいが、望ましくは１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³ である。

また、低不純物濃度層の厚さは、５０〜４００Åとすることがより望ましい。より発光効率を向上させることができるからである。さらに望ましくは１５０〜３５０Åである。

第２の発明は、第１の発明において、低不純物濃度層のｎ型不純物濃度は１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、低不純物濃度層は、厚さが２００〜４００Åである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第４の発明は、第３の発明において、低不純物濃度層は、厚さが１５０〜３５０Åである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、低不純物濃度層は、超格子構造である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第６の発明は、第５の発明において、高不純物濃度層および低不純物濃度層は、超格子構造のｎクラッド層であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第７の発明は、第５の発明から第６の発明において、超格子構造は、アンドープまたはｎ型不純物ドープのＩｎＧａＮとアンドープまたはｎ型不純物ドープのＧａＮの少なくとも２層を１単位として、その１単位が繰り返し積層された構造である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

本発明によれば、電子・正孔対がｐ側あるいはｎ側に偏ってしまうのが抑制され、発光層中に電子と正孔をバランスよく分布させることができる。そのため、電子がｐ側へオーバーフローしてしまうことも、正孔がｎ側へオーバーフローしてしまうことも抑制することができ、発光効率を向上させることができる。また、本発明では、発光層のｎ側に接する層はｎ型不純物がドープされた低不純物濃度層であり、アンドープではないため、従来のIII 族窒化物半導体発光素子に比較して駆動電圧を上昇させてしまうこともない。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構造を示した図。 ｎクラッド層１２の形成工程を示した図。 低不純物濃度層１２１の厚さと光出力との関係を示したグラフ。 低不純物濃度層１２１の厚さと順電圧との関係を示したグラフ。 アンドープ層の厚さと光出力との関係を示したグラフ。 アンドープ層の厚さと光出力との関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上に、III 族窒化物半導体からなるｎコンタクト層１１、ｎクラッド層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層された構造を有している。また、ｐコンタクト層１５表面（ｐクラッド層側とは反対側の面）からｎコンタクト層１１に至る深さの溝が設けられていて、その溝の底面に露出したｎコンタクト層１１上にはｎ電極１６が設けられている。また、ｐコンタクト層１５表面の溝が設けられた領域以外のほぼ全面に、ＩＴＯからなる透明電極１７が設けられ、透明電極１７上にはｐ電極１８が設けられている。

サファイア基板１０は、ｃ面を主面とするサファイアの基板である。ｃ面以外にもａ面を主面とするサファイア基板を用いることもできる。サファイア以外には、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮなどを基板として用いることができる。また、基板のIII 族窒化物半導体層を積層させる側の表面には、ストライプ状、ドット状などの凹凸加工が施されていてもよく、これにより光取り出し効率を向上させることができる。

ｎコンタクト層１１は、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上のｎ−ＧａＮである。ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよく、複数の層のうち一部の層のＳｉ濃度を高くしてｎ電極１６と接触させるようにすれば、ｎコンタクト層１１の結晶性を悪化させずにｎ電極１６とのコンタクト抵抗をより低減することができる。

ｎクラッド層１２は、アンドープＩｎＧａＮ／アンドープＧａＮ／Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ（サファイア基板１０側から順にアンドープＩｎＧａＮ層、アンドープＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層の３層が積層された積層構造、記号「／」は積層であることを意味し、Ａ／ＢはＡを成膜したのちＢを成膜した積層構造であることを意味する。以下において同じ）を１ペアとして複数ペア繰り返し積層された超格子構造である。アンドープＩｎＧａＮ層の厚さは１．６ｎｍ、アンドープＧａＮ層は１．６ｎｍ、ｎ−ＧａＮ層は１．６ｎｍであり、１ペアの総膜厚は４．８ｎｍである。また、ｎクラッド層１２全体の厚さは７２ｎｍである。

また、ｎクラッド層１２は、図１に示すように、ｎコンタクト層１１側から順に高不純物濃度層１２０、低不純物濃度層１２１の２層で構成されている。ｎクラッド層１２の超格子構造を構成する上記複数ペアの積層のうち、発光層１３に接する側から数ペアが低不純物濃度層１２１であり、残りのペアが高不純物濃度層１２０となっている。低不純物濃度層１２１は、高不純物濃度層１２０よりもＳｉ濃度が低い層であり、高不純物濃度層１２０のＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度は２．５×１０¹⁷／ｃｍ³ である。ここで、高不高不純物濃度層１２０および低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度は、層全体での平均である。以下においても同様である。

低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度は上記範囲に限るものではない。低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度は、ｐクラッド層１２のＭｇ濃度の１／１０００〜１／１００の範囲であればよい。この範囲であれば、発光層１３に電子と正孔をバランスよく分布させることができ、発光効率を向上させることができる。低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度のより望ましい範囲は、さらに１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ を満たすことである。

低不純物濃度層１２１の厚さは、結晶中にＳｉが十分に含まれ、ｎ型不純物として作用する程度の厚さであればよく、１０Å以上であればよい。ただし、厚すぎると発光効率が低下してしまうため４００Å以下とする。つまり、低不純物濃度層１２１の厚さは１０〜４００Åの範囲であればよい。より望ましくは５０〜４００Å、さらに望ましくは１５０〜３５０Åである。

また、高不純物濃度層１２０のＳｉ濃度は上記に限るものでなく、低不純物濃度層１２１よりも低いＳｉ濃度であれば任意であるが、１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³ とすることが望ましい。１×１０¹⁸／ｃｍ³ よりもＳｉ濃度が低いと高不純物濃度層１２０の低抵抗化が十分でなく、１×１０²¹／ｃｍ³ よりもＳｉ濃度が高いと結晶性が劣化してしまうからである。

ｎコンタクト層１１とｎクラッド層１２との間に、素子の静電耐圧性を高めるためのＥＳＤ層を設けてもよい。ＥＳＤ層は、たとえば、ｎコンタクト層１１側から順に、第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層構造とし、第１ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に１×１０⁸ ／ｃｍ² 以下のピットが形成され、厚さが２００〜１０００ｎｍ、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁶〜５×１０¹⁷／ｃｍ³ のＧａＮで構成され、第２ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に２×１０⁸ ／ｃｍ² 以上のピットが形成され、厚さが５０〜２００ｎｍ、キャリア濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下のＧａＮで構成され、第３ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度（／ｃｍ³ ）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０²⁰〜３．６×１０²⁰（ｎｍ／ｃｍ³ ）のＧａＮで構成する。このようにＥＳＤ層を構成すれば、静電耐圧特性を向上させつつ、発光効率や信頼性を向上させることができ、電流のリークを減少させることができる。

発光層１３は、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とアンドープのＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。この発光層１３は低不純物濃度層１２１上に接して位置している。井戸層と障壁層との間に、Ａｌ組成比が障壁層のＡｌ組成比以下のＡｌＧａＮからなり、井戸層と同じ成長温度で形成するキャップ層を設けてもよい。このようなキャップ層を設けると、障壁層を形成する際の昇温時に井戸層からのＩｎの離脱が防止されるため、発光効率を向上させることができる。発光層１３とｐクラッド層１４との間に、ｐクラッド層１４中のＭｇが発光層１３へ拡散するのを防止するために、アンドープのＧａＮとアンドープのＡｌＧａＮとからなる層を設けてもよい。

ｐクラッド層１４は、厚さ２ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰／ｃｍ³ のｐ−ＡｌＧａＮ層と、厚さ２ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０²⁰／ｃｍ³ のｐ−ＩｎＧａＮ層とを１単位として、これを繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層１３に接する層をｐ−ＩｎＧａＮ層とし、最後に形成する層、すなわち、ｐコンタクト層１５に接する層をｐ−ＡｌＧａＮ層としている。ｐクラッド層１４全体としてのＭｇ濃度の平均は１×１０²⁰／ｃｍ³ である。このＭｇ濃度の平均の１／４００が、低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度の平均となっている。

なお、ｐクラッド層１４は上記以外の超格子構造、たとえばｐ−ＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮなどの超格子構造であってもよいし、超格子構造以外の構造であってもよい。たとえばｐ−ＡｌＧａＮからなる単層であったり、超格子構造ではない複数の層で構成されていてもよい。また、ｐクラッド層１４のＭｇ濃度の平均は必ずしも上記値である必要はないが、１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³ であることが望ましい。１×１０¹⁹／ｃｍ³ よりもＭｇ濃度が低いと低抵抗化が十分でなく、１×１０²¹／ｃｍ³ よりもＭｇ濃度が高いと、結晶性を悪化させてしまう。

ｐコンタクト層１５は、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇ濃度１．０×１０²¹／ｃｍ³ のｐ−ＧａＮからなる。結晶性向上と透明電極１７とのコンタクト抵抗低減とを両立させるために、ｐコンタクト層１５をＭｇ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。たとえば、ｐクラッド層１４側から順に、Ｍｇ濃度１〜３×１０¹⁹／ｃｍ³ で厚さ３２０ÅのＧａＮからなる第１ｐコンタクト層、Ｍｇ濃度４〜６×１０¹⁹／ｃｍ³ で厚さ３２０ÅのＧａＮからなる第２ｐコンタクト層、Ｍｇ濃度１〜２×１０²⁰／ｃｍ³ で厚さ８０ÅのＧａＮからなる第３ｐコンタクト層、の３層構造としてもよい。また、透明電極１７と接する第３ｐコンタクト層は、ＧａＮではなくＩｎＧａＮとしてもよい。仕事関数が透明電極１７に近くなるため、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、ｐコンタクト層１５表面に凹凸形状が設けられていてもよい。これにより光取り出し効率が向上するとともに、ＩＴＯ電極１７との接触面積が増大するためコンタクト抵抗をより低減することができる。

透明電極１７はＩＴＯからなり、ｐコンタクト層１５表面のほぼ全面に設けられている。透明電極１７には、ＩＴＯ以外にもＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）やＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）などの透明酸化物導電体材料や、Ａｕなどの金属薄膜を用いることができる。

ｎ電極１６、ｐ電極１８は、電流拡散性を向上させるために、ワイヤがボンディングされるパッド部と、面内に配線状（たとえば格子状や櫛歯状、放射状）に広がり、パッド部と接続する配線状部と、を有する構造としてもよい。

以上説明した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、発光層１３のｎ側に接する層として、高不純物濃度層１２０よりもＳｉ濃度の低い低不純物濃度層１２１を導入し、そのＳｉ濃度をｐクラッド層１２のＭｇ濃度の１／１０００〜１／１００とし、厚さを１０〜４００Åの範囲としている。このような低不純物濃度層１２１を導入すると、ｎ側から発光層１３へと供給される電子の量が減少し、電子と正孔の移動度の違いにより発光層１３においてｐ側に偏っていた電子・正孔対の分布がｎ側にシフトする。そのため、発光層１３の中心付近に電子・正孔対の分布がシフトし、電子がｐ側へオーバーフローしてしまうのを抑制することができる。また、低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度、厚さが上記範囲であれば、電子・正孔対の分布がｎ側へ偏りすぎて、正孔がｎ側へオーバーフローしてしまうことも抑制される。その結果、発光層１３において電子と正孔がバランスよく分布することとなり、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。また、発光層１３のｎ側に接するのは上記所定量のＳｉがドープされた低不純物濃度層１２１であってアンドープではないため、従来のIII 族窒化物半導体発光素子に比べて駆動電圧を上昇させてしまうこともない。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。

まず、サファイア基板１０を用意し、サファイア基板１０を水素雰囲気中で加熱してサーマルクリーニングを行い、サファイア基板１０表面の付着物を除去する。そして、サファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を４００℃で形成した後、バッファ層上にＭＯＣＶＤ法によってｎコンタクト層１１、ｎクラッド層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５を順に形成する。用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ）、キャリアガスとしてＨ₂ とＮ₂ である。

上記ｎクラッド層１２の形成は、以下のようにして行う。ｎコンタクト層１１上にアンドープＩｎＧａＮ／アンドープＧａＮ／ｎ−ＧａＮを１単位としてこれを複数単位繰り返し積層させ、超格子構造である高濃度不純物濃度層１２０を形成する（図２（ａ））。次に、アンドープＩｎＧａＮ／アンドープＧａＮ／ｎ−ＧａＮ中のｎ−ＧａＮ層形成時のシランの供給量を低下させる以外は同様にして、アンドープＩｎＧａＮ／アンドープＧａＮ／ｎ−ＧａＮを１単位として複数単位繰り返し積層させ、超格子構造を形成する。これにより、高不純物濃度層１２０よりもＳｉ濃度の低い低不純物濃度層１２１を形成する（図２（ｂ））。低不純物濃度層１２１のＳｉ濃度は、１単位中のｎ−ＧａＮ層のＳｉドープ量によって制御し、低不純物濃度層１２１全体としての平均のＳｉ濃度が２．５×１０¹⁷／ｃｍ³ となるようにする。低不純物濃度層１２１の厚さは、アンドープＩｎＧａＮ／アンドープＧａＮ／ｎ−ＧａＮの単位数を変化させることで制御する。もちろん、アンドープＩｎＧａＮ／アンドープＧａＮ／ｎ−ＧａＮの各層の厚さを変化させることで低不純物濃度層１２１の厚さを制御してもよい。以上のようにしてｎクラッド層１２を形成する。

ｐコンタクト層１５の形成後、所定の領域をドライエッチングしてｐコンタクト層１５表面からｎコンタクト層１１に達する深さの溝を形成する。そして、ｐコンタクト層１５上のほぼ全面にＩＴＯからなる透明電極１７を形成し、透明電極１７上にｐ電極１８、溝底面に露出したｎコンタクト層１１表面にｎ電極１６を形成する。以上によって図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の光出力および駆動電圧の測定結果について説明する。

図３は、低不純物濃度層１２１の厚さを変化させた場合の実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の相対光出力を示したグラフである。低不純物濃度層１２１の厚さは、超格子構造のペア数を変えることで変化させた。ただし、クラッド層１２を構成する高濃度不純物濃度層１２０と低不純物濃度層１２１の厚さの割合を変化させてｎクラッド層１２全体の厚さは変化させていない。グラフの縦軸である相対光出力は、低不純物濃度層１２１を設けない場合（ｎクラッド層１２全体を高不純物濃度層１２０とする場合）の光出力を１として規格化した相対値である。

図３のように、低不純物濃度層１２１の厚さがおよそ２００Åでは相対光出力がおよそ１．０１、低不純物濃度層１２１の厚さがおよそ３４０Åでは相対光出力がおよそ１．０３、低不純物濃度層１２１の厚さがおよそ４８０Åでは相対光出力がおよそ０．９９であった。発光層１３における電子と正孔の分布バランスをとるという低不純物濃度層１２１導入の目的を考えれば、低不純物濃度層１２１の膜厚を厚くしていくと、電子・正孔対の分布がｎ側へとシフトしていき、ｐ側への電子のオーバーフローが減少して分布バランスが改善されて次第に光出力が増大していくが、所定の膜厚を越えると電子・正孔対の分布がｎ側に偏っていき、ｎ側に正孔のオーバーフローを生じて光出力が減少に転じ、光出力が低下していくものと推察される。図３のグラフはおよそその推察に合致しており、妥当な推察であることを支持している。

上記推察と図３から、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させるためには、低不純物濃度層１２１は、少なくとも、Ｓｉが結晶に十分に含まれ、ｎ型不純物として作用する厚さ以上であれば、発光効率を向上させることができると考えられ、その厚さは１０Åである。また、低不純物濃度層１２１の厚さの上限は、図３のグラフにおいて発光効率が上昇から減少に転じる区間であって、相対光出力が１よりも大きい厚さであり、４００Åである。したがって、低不純物濃度層１２１の厚さは１０〜４００Åとするのがよいことがわかる。また、発光効率向上のためにより望ましいのは、図３より５０〜４００Åであり、さらに望ましくは１５０〜３５０Åである。

図４は、低不純物濃度層１２１の厚さと相対順電圧との関係を示したグラフである。低不純物濃度層１２１の厚さは、図３の場合と同様に超格子構造のペア数を変えて変化させ、ｎクラッド層１２全体の厚さは変えていない。相対順電圧は、低不純物濃度層１２１を設けずにｎクラッド層１２全体を高不純物濃度層１２０とした場合に順電流を２０ｍＡ流したときの順電圧を１として規格化した相対値である。

図４のように、低不純物濃度層１２１を導入しても駆動電圧の上昇は見られないことがわかる。また、低不純物濃度層１２１の厚さを変えても、駆動電圧の変化はそれほどないことがわかる。

比較のため、低不純物濃度層１２１に変えてアンドープ層を導入した比較例のIII 族窒化物半導体発光素子について、図３、４と同様にしてアンドープ層の厚さを変えて相対光出力および相対順電圧の値を測定した。図５はアンドープ層の厚さと相対光出力の関係を示したグラフ、図６はアンドープ層の厚さと相対順電圧の関係を示したグラフである。

図５のように、およそ１００〜４００Åのアンドープ層を導入することで、発光効率を向上させることができることがわかる。しかし、一方で図６のように、アンドープ層を導入すると、アンドープ層を導入しない場合よりも駆動電圧が上昇してしまっていることがわかる。

なお、実施例１では、高不純物濃度層１２０や低不純物濃度層１２１を超格子構造としたが、必ずしもそのような構成である必要はない。たとえば、高不純物濃度層１２０や低不純物濃度層１２１は単層であってもよく、超格子構造ではない複数の層であってもよい。ただし、発光層１３のｎ側に接する低不純物濃度層１２１を超格子構造とすれば、低不純物濃度層１２１の結晶性が改善され、その上に形成される発光層１３の結晶性も改善されるため、より発光効率を向上させることができる。また、実施例１では低不純物濃度層１２１をｎクラッド層１２の一部としたが、必ずしもそのような構成である必要はなく、発光層１３のｎ側に接する層であればよい。たとえば、低不純物濃度層１２１は発光層１３とｎクラッド層１２との間に新規に設けられた層であってもよい。

また、実施例のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型の素子であったが、本発明はこれに限定するものではなく、従来知られている任意の構造のIII 族窒化物半導体発光素子に適用することができる。たとえば、フリップチップ型の素子や、導電性基板を用いたり、レーザーリフトオフなどの技術によって基板を除去するなどして縦方向に導通をとる構造とした素子などにも本発明は適用することができる。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置、表示装置などに利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１２：ｎクラッド層
１３：発光層
１４：ｐクラッド層
１５：ｐコンタクト層
１６：ｎ電極
１７：透明電極
１８：ｐ電極
１２０：高不純物濃度層
１２１：低不純物濃度層

Claims (7)

1. 発光層と、前記発光層上にｐクラッド層を有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記発光層の前記ｐクラッド層側とは反対側に位置し、ｎ型不純物がドープされた高不純物濃度層と、
   前記高不純物濃度層と前記発光層との間であって前記発光層に接して位置し、その高不純物濃度層よりもｎ型不純物濃度が低い低不純物濃度層と、
   を有し、
   前記低不純物濃度層は、ｎ型不純物濃度が、前記ｐクラッド層のｐ型不純物濃度の１／１０００〜１／１００であり、厚さが１０〜４００Åである、
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. 前記低不純物濃度層のｎ型不純物濃度は１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
3. 前記低不純物濃度層は、厚さが５０〜４００Åである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
4. 前記低不純物濃度層は、厚さが１５０〜３５０Åである、ことを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
5. 前記低不純物濃度層は、超格子構造である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
6. 前記高不純物濃度層および前記低不純物濃度層は、超格子構造のｎクラッド層であることを特徴とする請求項５に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
7. 前記超格子構造は、アンドープまたはｎ型不純物ドープのＩｎＧａＮとアンドープまたはｎ型不純物ドープのＧａＮの少なくとも２層を１単位として、その１単位が繰り返し積層された構造である、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。

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