次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
以下の本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、「透明」とは、透過率が約50%以上であるものと定義する。「透明」とは、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約360nm〜830nm程度、エネルギー約3.4eV〜1.5eV程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。
透明性はバンドギャップEgとプラズマ周波数ωpによって決定される。バンドギャップEgが約3.1eV以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ωpよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ωpは、キャリア密度をn、電荷をq、誘電率をε、有効質量をm*とすると、ωp=(nq2/εm*)1/2で表され、キャリア密度の関数である。
[第1の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1(a)および図1(b)に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上および保護膜18上に配置され,n型不純物をドープされたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置された活性層13と、活性層13上に配置され,p型不純物をドープされたp型半導体層14とを備える。
また、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16をさらに備えていても良い。
また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1(a)および図1(b)に示すように、p型半導体層14上に配置された透明電極15と、透明電極15、p型半導体層14、活性層13およびn型半導体層12の一部を除去して得られたn型半導体層12面上に配置されたn側電極200と、透明電極15上に配置されたp側電極100とを備える。
また、第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、後述する図10に示すように、透明電極15上に配置された反射積層膜28をさらに備えていても良い。
保護膜18は、発光波長に対して透明であり、かつ保護膜18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい。例えば、保護膜18としては、発光波長に対して十分に透明であり、基板10の屈折率に近い屈折率のものを用いると良い。
基板10としてサファイア基板(n=1.7〜1.8)を用いる場合、保護膜18として、SiO2膜を用いると、SiO2膜の屈折率は約n=1.46程度であり、サファイア基板の屈折率n=1.7〜1.8と同程度となる。また、保護膜18として、SiNx膜を用いると、SiNx膜の屈折率は約n=2.05程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。保護膜18として、TiOx膜を用いると、TiOx膜の屈折率は約n=1.8程度であり、サファイア基板の屈折率と同程度となる。さらにまた、保護膜18として、Al2O3膜を用いると、Al2O3膜の屈折率は約n=1.7〜1.8程度でありサファイア基板の屈折率と同程度となる。
したがって、保護膜18としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜のいずれも適用可能である。
透明電極15は、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかであっても良い。
或いはまた、後述するように、透明電極15は、GaまたはAlが、不純物濃度1×1019 〜5×1021cm-3で不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかであっても良い。
また、活性層13は、バリア層とバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有し、インジウムを含む多重量子井戸からなる。
また、バリア層は、GaNよりなり、井戸層は、InxGa1-xN(0<x<1)よりなり、多重量子井戸のペア数は、例えば、6〜11程度である。
また、井戸層の厚さは、例えば、2〜3nmであり、バリア層の厚さは、例えば、15〜18nmである。
また、基板は、c面(0001),0.25°オフのサファイア(α-Al2O3)基板であっても良い。
n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の非極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記非極性面に垂直な非極性面であることが望ましい。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のm面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記m面に垂直なa面であることが望ましい。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のa面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記a面に垂直なm面であることが望ましい。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の半極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記半極性面に垂直なa面若しくはm面であることが望ましい。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、m面若しくはa面であることが望ましい。
(反射積層膜を備える構造例)
図1の構造において、さらに透明電極15上に反射積層膜28を配置することで、図9に示すように、活性層13で発生した光を、反射積層膜28で有効に反射させることができる。
さらに、図9の構造では、基板10上に配置した保護膜18によって、活性層13で発生した光を、基板10側に有効に取り出すことができる。
異種基板上へ部分的に屈折率の異なる保護膜18を形成した基板を作成し、さらに窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上する。
また、基板の加工が不要なため、コスト・工程的にも負担が少なく、生産性も優れている。
保護膜18の窓部分から直接エピタキシャル成長を行うことで、エピタキシャル成長プロセスを一度に統合できる。
保護膜18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
一方、図9と対比した本発明の比較例に係る半導体発光素子においては、図10に示すように、サファイア基板10とバッファ層16或いはn型半導体層12からなるエピタキシャル成長層との界面において、屈折率の差が大きいために、全反射の角度が大きい。サファイア基板の屈折率は、約n=1.7〜1.8程度であるのに対して、GaN層の屈折率は約n=2.5程度であるためである。
(詳細構造例)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図11に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16と、バッファ層16および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置され、n型半導体層12より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層17と、ブロック層17上に配置され活性層13と、活性層13上に配置されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に配置された透明電極15とを備える。
活性層13は、図11(b)に示すように、バリア層311〜31n、310とそのバリア層311〜31n、310よりバンドギャップが小さい井戸層321〜32nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層13に含まれる第1バリア層311〜第nバリア層31nを総称して「バリア層31」という。また、活性層13に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層32」という。
上記の積層構造の最上層の最終バリア層310の膜厚は、その最終バリア層310以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層311〜第nバリア層31n)の厚さより厚く形成されていてもよい。
図11に示した半導体発光素子では、最終バリア層310のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。
基板10には、例えば、c面(0001),0.25°オフのサファイア基板などが採用可能である。n型半導体層12、活性層13及びp型半導体層14はそれぞれIII族窒化物系半導体からなり、基板10上に保護膜18を形成後、バッファ層16、n型半導体層12、ブロック層17、活性層13及びp型半導体層14が順次積層される。
(保護膜)
保護膜18は、発光波長に対して透明であり、かつ保護膜18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい材料であることが必要である。例えば、保護膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などで形成する。
サファイア基板(n=1.7〜1.8)の場合、保護膜18としては、SiO2(n=1.46)、SiNx(n=2.05)、TiOx(n=1.8)、Al2O3(n=1.7〜1.8)などを適用することができる。
保護膜18のサイズとしては、例えば、幅最大約10μm程度で、厚さは、例えば約100nm以上、1μm程度が望ましい。保護膜18の形状は、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、選択横方向エピタキシャル成長(ELO)を阻害しないパターン形状ものが良い。特に、ELOを行うため、パターンの方向は、横方向成長面であるa面、m面を考慮して、選択する。
基板10の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、保護膜18とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外へ効率よく取り出されることになる。
(AlNバッファ層)
バッファ層16は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層16を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。
トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16および保護膜18上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。
(ブロック層)
n型半導体層12と活性層13間に配置されたブロック層17は、例えばn型不純物としてSiを1×1017cm-3未満で不純物添加した膜厚約200nm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
図11に示した半導体発光素子では、例えばn型半導体層12にSiが3×1018cm-3程度不純物添加された場合に、Siが約8×1016cm-3程度不純物添加されたブロック層17をn型半導体層12と活性層13間に配置することにより、活性層13の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるn型半導体層12から活性層13へのSiの拡散を防止できる。
つまり、活性層13内にSiが拡散せず、活性層13で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層13で発光させるためにn型半導体層12とp型半導体層14間にバイアスが印加された場合に、n型半導体層12から活性層13に供給された電子が活性層13を通過してp型半導体層14に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。
ブロック層17のSi濃度は、1×1017cm-3未満である。これは、ブロック層17のSi濃度が高すぎる場合、n型半導体層12から供給された電子が活性層13を超えてp型半導体層14までオーバーフローし、p型半導体層14内で正孔と再結合してしまい、活性層13中での再結合の割合が減少し、活性層13で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層17のSi濃度が低すぎる場合は、n型半導体層12から活性層13へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層17のSi濃度は、約5×1016〜1×1017cm-3未満であることが好ましい。
以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、n型半導体層12と活性層13間にブロック層17を配置することにより、製造工程中でのn型半導体層12から活性層13へのSiの拡散、及び発光時におけるn型半導体層12からp型半導体層14への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図11に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。
(n型半導体層)
n型半導体層12は、電子を活性層13に供給し、p型半導体層14は、正孔(ホール)を活性層13に供給する。供給された電子及び正孔が活性層13で再結合することにより、光が発生する。
n型半導体層12は、シリコン(Si)等のn型不純物を不純物添加した膜厚1〜6μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。
保護膜18を介して窒化物半導体からなるn型半導体層12を異種基板10上へ直接エピタキシャル成長させる。保護膜18を埋めるため、途中から条件を横方向成長を促進させる条件に変える。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第1のステップとして、例えば約1050℃で、約100Torrで約1μm程度成長後、第2のステップとして、例えば約1050℃で、約200Torrで約1.5μm程度成長させることができる。このようにn型半導体層12を形成することによって、横方向成長(ELO)による貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。
保護膜18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
さらに、n型半導体層12を形成する圧力および成長温度条件を変化させて、何回かのステップにわけることも可能であり、例えば、図6に示すように、4層構造のn型半導体層12(121、122、123、124)を形成することもできる。このようにすることによって、n型半導体層12の表面モフォロジ―が改善され、結晶性を向上することができる。
(p型半導体層)
p型半導体層14は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.05〜1μm程度のIII族窒化物系半導体、例えばGaN層等が採用可能である。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
p型半導体層14の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層14は、図11(a)に示すように、活性層13の上部に配置され,p型不純物を含む第1窒化物系半導体層41と、第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42と、第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44とを備える。
第2窒化物系半導体層42の厚さは、第1窒化物系半導体層41、或いは第3窒化物系半導体層43乃至第4窒化物系半導体層44の厚さよりも厚く形成される。
ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層13の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層41は、例えばMgを不純物添加された約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成される。
第1窒化物系半導体層41上に配置され,第1窒化物系半導体層41のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層42は、例えばMgを不純物添加された約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成される。
第2窒化物系半導体層42上に配置され,第2窒化物系半導体層42のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。
第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。
第1の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層13の上に形成されるp型半導体層14は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層13への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
活性層13に一番近い第1窒化物系半導体層41は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
第2窒化物系半導体層42は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。
第3窒化物系半導体層43は、活性層13への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層42よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。
第4窒化物系半導体層44は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。
p型GaN層を4層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層13に近い第1窒化物系半導体層41、第2窒化物系半導体層42は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層13をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型GaN層を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。
(活性層)
活性層13は、図11(b)に示すように、第1バリア層311〜第nバリア層31n及び最終バリア層310でそれぞれ挟まれた第1井戸層321〜第n井戸層32nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層13は、井戸層32を井戸層32よりもバンドギャップの大きなバリア層31でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。
具体的には、第1井戸層321は第1バリア層311と第2バリア層312の間に配置され、第2井戸層322は第2バリア層312と第3バリア層313の間に配置される。そして、第n井戸層32nは第nバリア層31nと最終バリア層310の間に配置される。活性層13の第1バリア層311は、n型半導体層12上にブロック層17を介して配置され、活性層13の最終バリア層310上にはp型半導体層14(41〜44)が配置される。
井戸層321〜32nは、例えばInxGa1-xN(0<x<1)層によって形成され、バリア層311〜31n,310は、例えばGaN層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、6〜11であることを特徴とする。なお、井戸層321〜32nのインジウム(In)の比率{x/(1−x)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。
また、井戸層321〜32nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層311〜31nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度である。
第1の実施の形態に係る半導体発光素子においては、n型半導体層12から供給される電子と、p型半導体層14から供給されるホールが活性層13において効率よく再結合するための活性層13内のMQWペア数を最適化することができる。
(最終バリア層)
最終バリア層310の膜厚は、p型半導体層14から活性層13へのMgの拡散距離より厚く形成される。
図11に示した半導体発光素子の例では、最終バリア層310のp型不純物の濃度が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面から最終バリア層310の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が実質的に存在しない。
図11に示した半導体発光素子の最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層14の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層14から活性層13に拡散するp型不純物が、活性層13の井戸層32に達しないように設定される。つまり、p型半導体層14から最終バリア層310に拡散するp型不純物が、p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層310が井戸層32nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。
p型半導体層14に接する最終バリア層310の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層310の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は、約1016cm-3未満の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。
即ち、最終バリア層310の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層310の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層13と接する最終バリア層310の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層32n内にMgが拡散せず、活性層13で発生する光の輝度の低下が防止される。
なお、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層12から活性層13に注入される正孔が第n井戸層32nに到達し、第n井戸層32nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層13中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層310の膜厚d0は約10nm程度であり、第1バリア層311〜第nバリア層31nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層321〜第n井戸層32nの膜厚は約2〜3nm程度である。
以上に説明したように、第1の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層14に接する最終バリア層310の膜厚d0が、p型半導体層14から活性層13に拡散するp型不純物が活性層13の井戸層32に到達しない厚さに設定される。つまり、図11に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層310の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層13全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層14から活性層13の井戸層32へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層32へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。
(変形例)
図12(a)は、第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図あって、半導体発光素子部分の模式的断面構造図、図12(b)は、活性層部分の拡大された模式的断面構造図を示す。
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、図12に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16と、バッファ層16および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12と、n型半導体層12上に配置され、n型半導体層12より低い濃度でn型不純物が不純物添加されたブロック層17と、ブロック層17上に配置された活性層13と、活性層13上に配置されたp型半導体層14と、p型半導体層14上に配置された透明電極15とを備える。
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、活性層13の上部に配置されたp型不純物を含む第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層上に配置され、第3窒化物系半導体層のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層と、第4窒化物系半導体層上に配置され、透明電極15とを備える。
また、透明電極15は、GaもしくはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度まで不純物添加されたZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の構造上、p型半導体層14が、活性層13の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43と、第3窒化物系半導体層43上に配置され、第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44からなる2層構造に形成されている。
活性層13の上部に直接配置された第3窒化物系半導体層43は、例えばMgを不純物添加された約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成される。
第3窒化物系半導体層43上に配置され,第3窒化物系半導体層43のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層44は、例えばMgを不純物添加された約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成される。
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層13の上に形成されるp型半導体層14は、上記のように、Mg濃度の異なる2層構造のp型GaN層からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型GaN層は、活性層13への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
活性層13に一番近い第3窒化物系半導体層43は、活性層13への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
第4窒化物系半導体層44は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型GaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層44には、Mgが不純物添加される。
p型GaN層を2層成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層43、第4窒化物系半導体層44は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。或いはまた、活性層13に近い第3窒化物系半導体層43は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層13をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。
第1の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子においても、基板10上に配置された保護膜18、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたバッファ層16、バッファ層16および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたn型半導体層12、ブロック層17、活性層13、p型半導体層14、最終バリア層310、反射積層膜28および電極構造は本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子と同様であるため、説明は省略する。
第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16および保護膜18上に形成されるIII族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。
また、低温でp型半導体層14を形成して活性層13への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧Vfを低下させ、発光効率を向上させることができる。
また、n型半導体層12から供給される電子と、p型半導体層14から供給されるホールが活性層13において効率よく再結合するための活性層13のMQWペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。
また、p型半導体層14から井戸層へのp型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができ、n型半導体層12からp型半導体層14への電子のオーバーフロー、及びn型半導体層12から活性層13へのn型不純物の拡散を抑制し、発光効率を向上させることができる。
また、p型半導体層14から水素原子を取り除くアニール工程が不要な半導体発光素子を提供することができ、反射積層膜により外部発光効率の向上した半導体発光素子を提供することもできる。
GaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。シミュレーション結果より、φ5μmの円形もしくは格子状の保護膜18のパターンにおいて、40°〜60°のテーパ角度をつけると、光取り出し効率が1.5倍向上する。
異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる保護膜18を形成した基板を作成し、その上に窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上するだけでなく、エピタキシャル成長層の品質も向上する。
(結晶成長面方位)
図13は、第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子に適用されるIII族窒化物半導体の結晶面について説明するための模式図であって、図13(a)は、III族窒化物半導体の結晶構造のc面、a面、m面を示す模式図、図13(b)は、半極性面{10−11}を説明するための模式図、図13(c)は、半極性面{10−13}を説明するための模式図、図13(d)は、III族原子と窒素原子の結合を示す模式図をそれぞれ示す。
III族窒化物系半導体の結晶構造は、図13(a)乃至図13(d)に示すように、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して4つの窒素原子が結合している。4つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して+c軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−c軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。
c軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面{0001}である。c面に平行な2つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はIII族原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
+c面と−c面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、+c面は、アルカリに強いなどといった化学反応に対する耐久性が高く、逆に、−c面は化学的に弱く、例えば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
一方、六角柱の側面がそれぞれm面{10−10}であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面{11−20}である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、図13(b)および図13(c)に示すように、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面{10−11}や{10−13}は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。他の半極性面の具体例は、{10−1−1}面、{10−1−3}面、{11−22}面などの面である。
例えば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、例えば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、[0001]方向および[11−20]方向の両方に関する方位誤差が±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面としたGaN単結晶基板が得られる。
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、上記六方晶構造の各面を結晶主面として用いることができ、MOCVD法などによって、半導体発光素子を形成することができる。
第1の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子においては、例えば、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の非極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記の非極性面に垂直な非極性面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のm面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記のm面に垂直なa面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造のa面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記のa面に垂直なm面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の半極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、上記の半極性面に垂直なa面若しくはm面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。
或いはまた、n型半導体層12,活性層13,およびp型半導体層14は、六方晶構造の極性面を結晶成長の主面とし、n型半導体層12の横方向成長面は、m面若しくはa面となるように、保護膜18のパターン形状を選択すると良い。
(電極構造)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図14に示すように、n型半導体層12に電圧を印加するn側電極200、300と、p型半導体層14に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図14に示すように、p型半導体層14、活性層13、ブロック層17、及びn型半導体層12の一部領域をメサエッチングして露出させたn型半導体層12の表面に、n側電極200が配置される。
p側電極100は、p型半導体層14上に透明電極15を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層14上に直接配置されていても良い。第4窒化物系半導体層44上に配置される透明電極15は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。
n側電極200、300は、例えばアルミニウム(Al)膜、Ti/Ni/AuまたはAl/Ti/Au,Al/Ni/Au,Al/Ti/Ni/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au/Ni/Alの多層膜からなり、p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Auの多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Auの多層膜からなる。そして、n側電極200、300はn型半導体層12に、p側電極100は、透明電極15を介してp型半導体層14に、それぞれオーミック接続される。
図15は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、p側電極100の表面とn側電極300の表面を、基板10から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。
図15の構造は、透明電極15として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備える。
反射積層膜28はλ/4n1とλ/4n2の積層構造(n1,n2は積層する層の屈折率)を有する。積層構造に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、TiO2,Al2O3などを用いることもできる。
第1の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、反射積層膜28により活性層13内で発光した光を、p側電極100で吸収されることなく、基板10側から外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。
前述の通り、GaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる保護膜18を形成した基板を作成し、その上に窒化物系半導体を直接上記の基板へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上する。
(製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、図2乃至図8に示すように、基板10を準備する工程と、基板10上に保護膜18を形成する工程と、保護膜18をパターニングし、基板10を露出する工程と、保護膜18に挟まれ,露出された基板10および保護膜18上にn型不純物をドープされたn型半導体層12を横方向エピタキシャル成長により形成する工程と、n型半導体層12上に活性層13を形成する工程と、活性層13上にp型不純物をドープされたp型半導体層14を形成する工程とを有する。
また、基板10を露出する工程後、保護膜18に挟まれ, 露出された基板10上にバッファ層16を形成する工程をさらに有する。
また、n型半導体層12を横方向エピタキシャル成長により形成する工程は、横方向エピタキシャル成長時において、第1の圧力にて形成する工程と、第1の圧力よりも高い第2の圧力にて形成する工程とを有する。
以下、図2〜図8を参照して、第1の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法を説明する。以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板10にサファイア基板を適用する例を説明する。
(a)まず、図2に示すように、サファイア基板10を準備し、サファイア基板10上に保護膜18を形成後、パターンニングし、基板10の表面を露出する。
保護膜18は、発光波長に対して透明であり、かつ保護膜18の屈折率は、基板10の屈折率とほぼ等しい材料である、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などを化学的気相堆積法(CVD:Chemical Vapor Deposition)、或いはスパッタリングなどの物理的気相堆積法(PVD:Physical Vapor Deposition)により形成する。
保護膜18のパターンサイズとしては、例えば、幅最大約10μm程度で、厚さは、例えば約100nm程度以上、1μm程度が望ましい。保護膜18の形状は、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、横方向選択エピタキシャル成長(ELOG)を阻害しないパターン形状ものが良い。特に、ELOGを行うため、パターンの方向は、横方向成長面であるa面、m面を考慮して、選択する。基板10の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、保護膜18とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外へ効率よく取り出されることになる。
(b)次に、図3に示すように、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等で露出されたサファイア基板10上にAlNバッファ層16を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、短時間に成長させる。
(c)次に、図4に示すように、AlNバッファ層16上に、MOCVD法などにより、n型半導体層12となるGaN層を成長させる。例えば、AlNバッファ層16を形成した基板10をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層16上に、n型不純物を不純物添加したn型半導体層12を1〜5μm程度成長させる。n型半導体層12には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜が採用可能である。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型半導体層12を形成する。図4中に示すように、n型半導体層12となるGaN層中には、貫通転位20が発生している。
(d)次に、図5に示すように、横方向選択エピタキシャル成長(ELO)によって、n型半導体層12を形成する。横方向選択エピタキシャル成長面であるm面若しくはa面上に横方向選択エピタキシャル成長層が形成されて、図5中のベクトルLA、LB方向にn型半導体層12が、横方向に選択エピタキシャル成長される。結果として、貫通転位20も曲げられて、保護膜18の中央部LO近傍において左右からの選択エピタキシャル成長面が合体し、同時に貫通転位20もつながる。
保護膜18を埋めるため、途中からピタキシャル成長条件を横方向成長を促進させる条件に変えても良い。横方向成長を促進させるためには、例えば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第1のステップとして、例えば約1050℃で、約100Torrで約1μm程度成長後、第2のステップとして、例えば約1050℃で、約200Torrで約1.5μm程度成長させることができる。このようにn型半導体層12を形成することによって、ELOによる貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。
保護膜18を覆うように、横方向成長(ELO)させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
さらに、n型半導体層12を形成する圧力および成長温度条件を変化させて、何回かのステップにわけることも可能であり、例えば、図6に示すように、4層構造のn型半導体層12(121、122、123、124)を形成することもできる。このようにすることによって、n型半導体層12の表面モフォロジ―が改善され、結晶性を向上することができる。
例えば、保護膜18のパターンをストライプ状に形成する場合、ストライプは、<11−20>または<1−100>方向とし、保護膜18の幅を約1〜4μm程度、繰り返しの周期を例えば約7μm程度とする。この上に、HVPE法により、1000℃でn型半導体層12となるGaNを成長する。HVPE法では、GaClとNH3を反応させてGaNを成長する。ストライプ方向が<11−20>の場合に、GaNの成長は、まず保護膜18の開口部では、最初(0001)方向の成長により、基板面に対して傾斜した{1−101}面をファセットとする三角形断面の形状が生じる。次に、ファセットを保持したまま、保護膜18上で横方向の成長が、隣接した成長部が合体するまで進む。合体後は、さらに表面が平坦化するように成長が進み、(0001)面を有する完全に平坦な成長層が得られる。ストライプが<1−100>方向のパターンでは、{11−22}面がファセットとなるが、同様の成長層が得られる。
上記の例は一例であって、他のパターンおよびパターン方向も適用可能である。また、結晶成長の主面は上記の例では、極性面の例を説明しているが、非極性面、半極性面を適用することも可能である。
(e)次に、n型半導体層12上にブロック層17として、Siを1×1017cm-3未満、例えば8×1016cm-3程度の濃度で不純物添加したGaN膜を例えば、約200nm程度成長させる。このとき、n型半導体層12を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。
(f)次に、図7に示すように、活性層13をn型半導体層12上に形成する。例えば、GaN膜からなるバリア層31とInGaN膜からなる井戸層32を交互に積層して、活性層13が形成される。具体的には、活性層13を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層31と井戸層32を交互に連続して成長させ、バリア層31と井戸層32が積層してなる活性層13が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層32及び井戸層32よりバンドギャップが大きいバリア層31を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層31と井戸層32が交互に積層された積層構造を得る。
バリア層31を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、NH3ガスをそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層32を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、NH3ガスをそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。
形成された積層構造上に、最終バリア層310としてノンドープのGaN膜を10nm程度形成して、図1或いは図11に示した活性層13が形成される。既に説明したように、最終バリア層310の膜厚d0は、p型半導体層14から活性層13に拡散するp型ドーパンドが活性層13の井戸層32に到達しない厚さに設定される。
(g)次いで、図8に示すように、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層310上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層14を0.05〜1μm程度形成する。
p型半導体層14は、例えばp型不純物としてMgを不純物添加した4層構造に形成する。活性層13の上部に配置される第1窒化物系半導体層41は、約2×1020cm-3、厚さ約50nm程度のp型GaN層で形成し、第2窒化物系半導体層42は、約4×1019cm-3、厚さ約100nm程度のp型GaN層で形成し、第3窒化物系半導体層43は、例えば約1×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型GaN層で形成し、第4窒化物系半導体層44は、約8×1019cm-3、厚さ約10nm程度のp型GaN層で形成する。
Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層14(41〜44)を形成する。p型半導体層14(41〜44)の形成時にp型半導体層14(41〜44)から活性層13にMgが拡散するが、最終バリア層310により、Mgが活性層13の井戸層32に拡散することが防止される。
(h)次に、p型半導体層14の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって透明電極15を形成する。透明電極15としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019 〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。
(i)次に、図9に示すように、透明電極15をパターニング後、透明電極15を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。
(j)次いで、反射積層膜28およびp型半導体層14〜n型半導体層12の途中までを、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、n型半導体層12の表面を露出させる。
(k)次に、露出したn型半導体層12の表面にn側電極200、300を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層14上の透明電極15に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図9、図14或いは図15に示した半導体発光素子が完成する。
第1の実施の形態によれば、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
[第2の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、図16(a)に示すように、基板10と、基板10上に配置されたAlNバッファ層16と、AlNバッファ層16上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層25と、n型半導体層25上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層とバリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層60と、活性層60上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層80とを備える。
活性層60は、図16(b)に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層611〜61n、610とバリア層611〜61n、610よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層621〜62nが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層60に含まれる第1バリア層611〜第nバリア層61nを総称して「バリア層61」という。また、活性層60に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層62」という。
上記の積層構造の最上層の最終バリア層610の膜厚は、その最終バリア層610以外の積層構造に含まれる他のバリア層(第1バリア層611〜第nバリア層61n)の厚さより厚く形成されていてもよい。
図16に示した半導体発光素子では、最終バリア層610のp型ドーパンドの濃度が、p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面から最終バリア層610の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型ドーパンドが存在しない。
基板10には、例えば、c面(0001),0.25°オフのサファイア基板などが採用可能である。n型半導体層25、活性層60及びp型半導体層80はそれぞれAlGaN層からなり、基板10上にバッファ層16、n型窒化物系半導体層2、n型コンタクト層19、活性層60及びp型半導体層80が順次積層される。
(AlNバッファ層)
バッファ層16は、例えば、厚さ約10〜50オングストローム程度のAlN層で形成される。AlNバッファ層16を結晶成長させる場合、例えば、約900℃〜950℃程度の温度範囲の高温において成長させる。
トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。
(n型半導体層)
n型半導体層25は、図16(a)に示すように、AlNバッファ層16上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型窒化物系半導体層2と、n型窒化物系半導体層2上に配置され、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型コンタクト層19とを備える。
n型窒化物系半導体層2には、シリコン(Si)等のn型不純物が不純物添加され、膜厚は、例えば、約1〜6μm程度である。
n型窒化物系半導体層2は、電子を活性層60に供給し、p型半導体層80は、正孔(ホール)を活性層60に供給する。供給された電子及び正孔が活性層60で再結合することにより、光が発生する。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温AlNバッファ層16上、AlN層に比較的近い格子定数を有するAlxGa1-xN層(0<x<1)をに形成することから、n型半導体層25の結晶性および表面モフォロジーを改善することができ、かつ発光波長に対する透明性を向上することができる。
(活性層)
活性層60は、図16(b)に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなる第1バリア層611〜第nバリア層61n及び最終バリア層610でそれぞれ挟まれたAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる第1井戸層621〜第n井戸層62nを有する多重量子井戸(MQW)構造である(n:自然数)。つまり、活性層60は、AlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層62を井戸層62よりもバンドギャップの大きなAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層61でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をn回積層したnペア構造を有する。
具体的には、第1井戸層621は第1バリア層611と第2バリア層612の間に配置され、第2井戸層622は第2バリア層612と第3バリア層613の間に配置される。そして、第n井戸層62nは第nバリア層61nと最終バリア層610の間に配置される。活性層60の第1バリア層611は、n型窒化物系半導体層2上にn型コンタクト層19を介して配置され、活性層60の最終バリア層610上にはp型半導体層80(21,22,81〜84)が配置される。
また、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなる第1バリア層611〜第nバリア層61nと、第1バリア層611〜第nバリア層61n及び最終バリア層610でそれぞれ挟まれたAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる第1井戸層621〜第n井戸層62nには、いずれもn型不純物が不純物添加されていても良い。例えば、n型不純物としてSi原子が、例えば約5×1016程度不純物添加されていても良い。
また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、2〜8であることを特徴とする。なお、井戸層621〜62nのインジウム(In)の比率{y/(1−x―y)}は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。
例えば、Inの組成比yは、約0.15程度、Alの組成比は、例えば、約0.01〜0.1程度である。
また、井戸層621〜62nの厚さは、例えば、約2〜3nm程度、望ましくは、約2.8nm程度であり、バリア層611〜61nの厚さは約7〜18nm程度、望ましくは、約16.5nm程度である。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子においては、n型半導体層25から供給される電子と、p型半導体層80から供給されるホールが活性層60において効率よく再結合するための活性層60内のMQWペア数を最適化することができる。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子においては、活性層60として、AlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層62と、AlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)よりもバンドギャップの大きなAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層61を有することから、発光波長に対する透明性を向上し、かつその後の高温プロセスに対する熱ダメージに対する耐性を向上することができる。
(最終バリア層)
最終バリア層610の膜厚は、p型半導体層80から活性層60へのMgの拡散距離より厚く形成される。
図16に示した半導体発光素子では、最終バリア層610のp型不純物の濃度が、p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面から最終バリア層610の膜厚方向に沿って漸減し、第1主面に対向する第2主面においてp型不純物が実質的に存在しない。
図16に示した半導体発光素子の最終バリア層610の膜厚d0は、p型半導体層80の形成工程及びその工程以降においてp型半導体層80から活性層60に拡散するp型不純物が、活性層60の井戸層62に達しないように設定される。つまり、p型半導体層80から最終バリア層610に拡散するp型不純物が、p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面に対向する第2主面(最終バリア層610が井戸層62nに接する面)まで達しない厚みに膜厚d0が設定される。
p型半導体層80に接する最終バリア層610の第1主面でのMg濃度は、例えば、約2×1020cm-3程度であり、第1主面に対向する最終バリア層610の第2主面に向かってMg濃度は次第に低下し、第1主面から距離約7〜8nmの位置においてMg濃度は、約1016cm-3未満の影響を及ぼさず、分析での検出下限界以下になる。
即ち、最終バリア層610の膜厚d0を、約10nm程度にすることにより、Mgは最終バリア層610の第2主面まで拡散せず、そのため、活性層60と接する最終バリア層610の第2主面にはMgは存在しない。つまり、第n井戸層62n内にMgが拡散せず、活性層60で発生する光の輝度の低下が防止される。
なお、第1バリア層611〜第nバリア層61nの膜厚d1〜dnは、同一であってもよい。ただし、膜厚d1〜dnは、n型半導体層25から活性層60に注入される正孔が第n井戸層62nに到達し、第n井戸層62nで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第1バリア層611〜第nバリア層61nの膜厚d1〜dnが厚すぎると活性層60中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層610の膜厚d0は約10nm程度であり、第1バリア層611〜第nバリア層61nの膜厚d1〜dnは約7〜18nm程度であり、第1井戸層621〜第n井戸層62nの膜厚は約2〜3nm程度である。
以上に説明したように、第2の実施の形態に係る半導体発光素子では、p型半導体層80に接する最終バリア層610の膜厚d0が、p型半導体層80から活性層60に拡散するp型不純物が活性層60の井戸層62に到達しない厚さに設定される。つまり、図16に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層610の膜厚d0をMgの拡散距離より厚く設定することにより、活性層60全体の膜厚の増大を抑制しつつ、p型半導体層80から活性層60の井戸層62へのp型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層62へのp型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。
(p型半導体層)
p型半導体層80は、p型不純物を不純物添加した膜厚0.05〜1μm程度のAlxGa1-xN層(0≦x<1)によって形成される。p型不純物としては、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、炭素(C)等が使用可能である。
p型半導体層80の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、p型半導体層80は、図16(a)に示すように、活性層60の上部に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子バリア層21と、電子バリア層21上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子キャップ層22と、電子キャップ層22上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第1窒化物系半導体層81と、第1窒化物系半導体層81上に配置され、第1窒化物系半導体層81のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第2窒化物系半導体層82と、第2窒化物系半導体層82上に配置され、第2窒化物系半導体層82のp型不純物よりも高濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第3窒化物系半導体層83と、第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる第4窒化物系半導体層84とを備える。
第2窒化物系半導体層82の厚さは、第1窒化物系半導体層81、或いは第3窒化物系半導体層83乃至第4窒化物系半導体層84の厚さよりも厚く形成される。
ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層60の上部に配置されるp型不純物を含む第1窒化物系半導体層81は、例えばMgを不純物添加された約1.3×1020cm-3、厚さ約40nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。
第1窒化物系半導体層81上に配置され、第1窒化物系半導体層81のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第2窒化物系半導体層82は、例えばMgを不純物添加された約2.7×1019cm-3、厚さ約90nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。
第2窒化物系半導体層82上に配置され、第2窒化物系半導体層82のp型不純物よりも高濃度のp型不純物を含む第3窒化物系半導体層83は、例えばMgを不純物添加された約1.2×1020cm-3、厚さ約20nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。
第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層84は、例えばMgを不純物添加された約5×1019cm-3未満程度、厚さ約5nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。第4窒化物系半導体層84は、p型コンタクト層として機能する。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層60の上に形成されるp型半導体層80は、上記のように、Mg濃度の異なる4層構造のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型AlxGa1-xN層(0≦x<1)は、活性層60への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
活性層60に一番近い第1窒化物系半導体層81は、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
第2窒化物系半導体層82は、Mgを不純物添加しすぎると、Mgに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、1019cm-3台の半ば程度のMg濃度とすることが望ましい。
第3窒化物系半導体層83は、活性層60への正孔注入量を決める層であるため、第2窒化物系半導体層82よりはやや高めのMg濃度とすることが望ましい。
第4窒化物系半導体層84は、図17に示すように、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型AlGaN層であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層84には、Mgが不純物添加される。
p型AlxGa1-xN層(0≦x<1)を成長させる場合、p側電極100に近い第3窒化物系半導体層83、第4窒化物系半導体層84は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のH2ガス量を多くする。また、活性層60に近い第1窒化物系半導体層81、第2窒化物系半導体層82は、キャリアガス中のH2ガス量を多くする必要はなく、活性層60をN2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)を成長させる時は、V/III比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧(Vf)を下げることができる。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でp型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、p型半導体層をGaN層よりもバンドギャップの広いAlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成することで、発光波長に対する透明性を向上し、かつ順方向電圧(Vf)を低下させ、発光効率を向上させることができる。
(電極構造)
第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、図17および図18に示すように、n型半導体層25に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層80に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図17に示すように、p型半導体層80、活性層60、及びn型コンタクト層19の一部領域をメサエッチングして露出させたn型コンタクト層19の表面に、n側電極200が配置される。
p側電極100は、p型半導体層80上に透明電極15を介して配置される。或いはまた、p側電極100は、p型半導体層80上に直接配置されていても良い。或いはまた、p側電極100は、透明電極15に対して窓開けした開口部上に配置されていても良い。
第4窒化物系半導体層84上に配置される透明電極15は、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを含む。
n側電極200は、例えばAl膜、Ti/Au/Ni膜、Al/Ti/Au膜、Al/Ni/Au膜、Al/Ti/Ni/Au膜、Al/Ni/Ti/Au膜、Al/Ni/Ti/Ni/Au膜、或いは上層からAu-Sn/Au/Ti/Ni/Al膜、Au-Sn/Au/Ni/Ti/Ni/Al膜の多層膜からなる。
p側電極100は、例えばAl膜、パラジウム(Pd)−金(Au)合金膜、Ni/Ti/Au膜、Ti/Au/Ti/Au膜、Ti/Au/Ni/Ti/Ni/Au膜、Ti/Ni/Au/Ti/Ni/Au膜の多層膜、或いは上層からAu-Sn/Ti/Au膜、Au−Sn/Au膜、Au-Sn/Au/Ti/Au/Ti膜、Au−Sn/Au/Ni/Ti/Ni/Au/Ti膜、Au−Sn/Au/Ni/Ti/Au/Ni/Ti膜の多層膜からなる。そして、n側電極200はn型半導体層25に、p側電極100は、透明電極15を介してp型半導体層80に、それぞれオーミック接続される。
図19は、第2の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、n側電極200上にさらにn側電極300を形成して、p側電極100の表面とn側電極300の表面を、基板10から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。
図19の構造は、透明電極15として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備える。
また、透明電極15を、絶縁膜で被覆し、さらに、絶縁膜を発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備えていても良い。
反射積層膜28はλ/4n1とλ/4n2の積層構造(n1,n2は積層する層の屈折率)を有する。積層構造に用いる材料としては、例えばλ=450nmの青色光に対して、ZrO2(n=2.12)とSiO2(n=1.46)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ZrO2を、例えば約53nm、SiO2を、例えば約77nmとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、TiO2,Al2O3などを用いることもできる。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、反射積層膜28により活性層30内で発光した光を、p側電極100で吸収されることなく、基板10側から外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。
AlGaN層側からサファイア基板10を介して外部へ光を取り出す経路となるフリップチップ構造が、特に外部発光効率を向上させ得る点で有効である。異種基板10上へ部分的に屈折率の異なる保護膜を形成した基板を作成し、その上にAlGaN層を上記の基板10へエピタキシャル成長させ、発光素子を形成することにより、エピタキシャル成長層ー基板界面に凹凸を形成でき、光の散乱・回折が生じ、光取り出し効率が向上することも可能である。
第2の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層25、活性層60、p型半導体層80にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上し、かつ、反射積層膜28により活性層60内で発光した光を、p側電極100で吸収されることなく外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。
(製造方法)
以下に、図16に示した第2の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板10にサファイア基板を適用する例を説明する。
(a)まず、良く知られた有機金属気相成長(MOCVD)法等で露出されたサファイア基板10上にAlNバッファ層16を成長させる。例えば、約900℃〜950℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム(TMA)と、アンモニア(NH3)を、H2ガスをキャリアとして、反応室に供給することによって、厚さ約10〜50オングストローム程度の薄いAlNバッファ層16を、短時間に成長させる。
(b)次に、AlNバッファ層16上に、MOCVD法などにより、n型不純物が不純物添加されたn型窒化物系半導体層2を成長させる。例えば、AlNバッファ層16を形成した基板10をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、AlNバッファ層16上に、n型不純物を不純物添加したAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型窒化物系半導体層2を1〜5μm程度成長させる。n型窒化物系半導体層2には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加する。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)を原料ガスとして供給してn型AlxGa1-xN層(0<x<1)を形成する。
(c)次に、n型窒化物系半導体層2上に、n型コンタクト層19を、例えば約1550nm程度形成する。n型コンタクト層19には、例えばn型不純物としてSiを3×1018cm-3程度の濃度で不純物添加する。
(d)次に、活性層60をn型半導体層25(2,19)上に形成する。例えば、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層61とAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層62を交互に積層して、活性層60が形成される。具体的には、活性層60を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層61と井戸層62を交互に連続して成長させ、バリア層61と井戸層62が積層してなる活性層60が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層62及び井戸層62よりバンドギャップが大きいバリア層61を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をn回、例えば8回程度繰り返して、バリア層61と井戸層62が交互に積層された積層構造を得る。
バリア層61を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、TMAガス、NH3ガスをそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層62を形成する場合は、原料ガスとして、例えばTMGガス、TMAガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス、NH3ガスをそれぞれ処理装置に供給する。なお、TMGガスはGa原子の原料ガス、TMIガスはIn原子の原料ガス、TMAガスはAl原子の原料ガス、NH3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。
形成された積層構造上に、最終バリア層610としてノンドープのAlxGa1-xN層(0<x<1)を10nm程度形成して、図16または図17に示した活性層60が形成される。既に説明したように、最終バリア層610の膜厚d0は、p型半導体層80から活性層60に拡散するp型ドーパンドが活性層60の井戸層62に到達しない厚さに設定される。
(e)次いで、基板温度を800℃〜900℃程度にして、最終バリア層610上に、p型不純物を不純物添加したp型半導体層80を0.05〜1μm程度形成する。
p型不純物として、Mgを不純物添加する場合は、TMGガス、TMAガス、NH3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)ガスを原料ガスとして供給して、p型半導体層80(21、22、81〜84)を形成する。p型半導体層80の形成時にp型半導体層80から活性層60にMgが拡散するが、最終バリア層610により、Mgが活性層60の井戸層62に拡散することが防止される。
(f)次に、p型半導体層80の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって透明電極15を形成する。透明電極15としては、例えば、ZnO、ITO若しくはインジウムを含有するZnOのいずれかを用いることができる。さらに、GaあるいはAlなどのn型不純物を1×1019 〜5×1021cm-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。
(g)次に、透明電極15をパターニング後、透明電極15を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。
(h)次いで、反射積層膜28およびp型半導体層80〜n型半導体層25の途中までを、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、n型コンタクト層19の表面を露出させる。
(i)次に、露出したn型コンタクト層19の表面にn側電極200、300を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。p型半導体層80上の透明電極15に対しても、パターン形成後p側電極100を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図17、或いは図19に示した半導体発光素子が完成する。
(変形例)
第2の実施の形態の変形例としては、活性層60の上部に配置されたp型半導体層80として、活性層60の上部に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子バリア層21と、電子バリア層21上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなる電子キャップ層22と、電子キャップ層22上に配置されp型不純物を含む第3窒化物系半導体層83と、第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層84とからなる構造を備えていても良い。
第3窒化物系半導体層83は、例えばMgを不純物添加された約1.2×1020cm-3、厚さ約20nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。
第3窒化物系半導体層83上に配置され、第3窒化物系半導体層83のp型不純物よりも低濃度のp型不純物を含む第4窒化物系半導体層84は、例えばMgを不純物添加された約5×1019cm-3未満、厚さ約5nm程度のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)で形成される。
第2の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子において、活性層60の上に形成されるp型半導体層80は、上記のように、Mg濃度の異なる構造のp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)からなり、上記の濃度でドーピングされている。p型AlxGa1-xN層(0≦x<1)は、活性層60への熱ダメージを低減させるために、約800℃〜900℃の低温で成長する。
第3窒化物系半導体層83は、活性層60への正孔注入量を決める層であるため、Mg濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Mg濃度は高ければ高いほど望ましい。
第4窒化物系半導体層84は、透明電極15とのオーミックコンタクトを取るためのp型AlxGa1-xN層(0≦x<1)であり、実質的に空乏化されている。透明電極15として、例えば、GaまたはAlが1×1019 〜5×1021cm-3程度不純物添加されたZnO電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Vfを最も下げる時のMg濃度となるように、第4窒化物系半導体層84には、Mgが不純物添加される。
第2の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子においてもAlNバッファ層16、n型半導体層25、活性層60、p型半導体層80(20、21、83,84)、最終バリア層610、反射積層膜28および電極構造は第2の実施の形態に係る半導体発光素子と同様であるため、説明は省略する。
第2の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層、活性層、p型半導体層のすべての層にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上して、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
[第3の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子は、図20(a)に示すように、基板10と、基板10上に配置された保護膜18と、保護膜18に挟まれた基板10上に配置されたAlNバッファ層16と、AlNバッファ層16上および保護膜18上に配置され,n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層25と、n型半導体層25上に配置され、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層とバリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層60と、活性層60上に配置され、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層80とを備える。
活性層60は、図20(b)に示すように、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層611〜61n、610とバリア層611〜61n、610よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1) からなる井戸層621〜62nが交互に配置された積層構造を有する。
(電極構造)
第3の実施の形態に係る半導体発光素子は、図21に示すように、n型半導体層25に電圧を印加するn側電極200と、p型半導体層80に電圧を印加するp側電極100を更に備える。図21に示すように、p型半導体層80、活性層60、及びn型コンタクト層19の一部領域をメサエッチングして露出させたn型コンタクト層19の表面に、n側電極200が配置される。
図22は、第3の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、n側電極200上にさらにn側電極300を形成して、p側電極100の表面とn側電極300の表面を、基板10から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。
図22の構造は、透明電極15として透明導電膜ZnOを形成し、このZnOを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備える。
また、透明電極15を、絶縁膜で被覆し、さらに、絶縁膜を発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜28で覆う構造を備えていても良い。
(製造方法)
第3の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に保護膜を形成する工程と、保護膜に挟まれた前記基板上にAlNバッファ層を形成する工程と、AlNバッファ層上および前記保護膜上に、n型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0<x<1)からなるn型半導体層を形成する工程と、n型半導体層上に、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層が交互に形成された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層を形成する工程と、活性層上に、p型不純物が不純物添加されたAlxGa1-xN層(0≦x<1)からなるp型半導体層を形成する工程とを有する。
第3の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層、活性層、p型半導体層のすべての層にAlを添加し、熱ダメージを減少すると共に、発光波長に対する透過性を向上して、外部発光効率の向上した半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1〜第3の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
既に述べた実施の形態の説明においては、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなるバリア層31と該バリア層31よりバンドギャップが小さいAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる井戸層32が交互に配置された積層構造を有する多重量子井戸からなる活性層30の例を示したが、活性層30がAlxInyGa1-x-yN層(0<x≦y<1, 0<x+y<1)からなる1つの井戸層32を含み、この井戸層32とp型半導体層40間に配置された最終バリア層310の膜厚d0を、Mgの拡散距離より厚くした構造であってもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。