JP5694476B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

半導体発光素子として窒化物半導体が用いられる。このような半導体発光素子においては、電極から半導体層に注入される電流は、横方向へ広がり難い。このため、電極直下の半導体層に主に電流が注入される。電極が遮光性である場合には、電極直下の発光層で発光した光が電極によって遮られる。

正極電極として透明電極を用いることで、発光した光を、正極電極を透過させて取り出すことができる。透明電極にはＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）などの導電材料が用いられる。光取り出し効率を高くするために透明電極の透過率を高くすると、半導体層と透明電極との接触抵抗が増大し、駆動電圧が上昇する。

一方、例えば、約１．５μｍの突起を半導体層に設けることで、実質的な臨界角を広げて、光取り出し効率を向上させる構成がある。

特開２００５−２７７３７４号公報

本発明の実施形態は、駆動電圧が低い半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、電極と、ｐ形半導体層と、発光層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｐ形半導体層は、前記ｎ形半導体層と前記電極との間に設けられる。前記ｐ形半導体層は、前記電極に接するｐ側コンタクト層を含む。発光層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられる。前記ｐ形半導体層は、前記ｐ側コンタクト層と前記発光層との間に設けられｐ形不純物濃度が前記ｐ形コンタクト層のｐ形不純物濃度よりも低いｐ形層をさらに含む。前記ｐ側コンタクト層は、第１領域と、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に対して垂直な平面内に分散された複数の第２領域と、を含む。前記複数の第２領域におけるＭｇ濃度は、２．５〜３原子パーセントであり、前記第１領域におけるＭｇの濃度の２倍以上である。前記複数の第２領域の前記平面内における密度は、５×１０ ^７ 個／ｃｍ ^２ 以上、２×１０ ^８ 個／ｃｍ ^２ 以下である。

実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を示す模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の特性を示す模式図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフである。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を示す模式図である。 図９（ａ）〜図９（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を示す模式図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（実施の形態）
図１は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層２０と、電極（ｐ側電極８０）と、ｐ形半導体層５０と、発光層４０と、を備える。

さらに、半導体発光素子１１０は、ｎ側電極７０を備える。さらに、本具体例では、半導体発光素子１１０は、多層積層体３０と、基板１０と、バッファ層１１と、を備えている。多層積層体３０、基板１０及びバッファ層１１は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。

ｎ形半導体層２０、ｐ形半導体層５０及び発光層４０には、例えば窒化物半導体が用いられる。

ｐ形半導体層５０は、ｎ形半導体層２０とｐ側電極８０との間に設けられる。ｐ形半導体層５０は、ｐ側電極８０に接するｐ側コンタクト層５４を含む。すなわち、ｐ形半導体層５０は、ｐ側電極８０に接する。

本具体例では、ｐ形半導体層５０は、第１ｐ形層５１と、第２ｐ形層５２と、第３ｐ形層５３と、をさらに含む。第１ｐ形層５１は、ｐ側コンタクト層５４と発光層４０との間に設けられる。第２ｐ形層５２は、ｐ側コンタクト層５４と第１ｐ形層５１との間に設けられる。第３ｐ形層５３は、ｐ側コンタクト層５４と第２ｐ形層５２との間に設けられる。

第１ｐ形層５１には、例えばｐ形ＡｌＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層５１は、例えば電子オーバーフロー抑制層（電子オーバーフロー防止層）として機能することができる。
第２ｐ形層５２には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。
第３ｐ形層５３には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第３ｐ形層５３に含まれるｐ形不純物濃度は、例えば、第２ｐ形層５２に含まれるｐ形不純物濃度よりも高い。第３ｐ形層５３は、コンタクト層として機能することができる。

ｐ側コンタクト層５４には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。ｐ側コンタクト層５４におけるｐ形不純物濃度は、第３ｐ形層５３に含まれるｐ形不純物濃度よりも高い。このように、半導体発光素子１１０においては、コンタクト層として、第３ｐ形層５３とｐ側コンタクト層５４との２層の構成が用いられている。

実施形態はこれに限らず、第３ｐ形層５３は、省略しても良い。すなわち、実施形態において、第１ｐ形層５１、第２ｐ形層５２及び第３ｐ形層５３は必要に応じて設けられ、これらの構成は任意である。
ｐ形不純物として、例えばＭｇ（マグネシウム）が用いられる。

ｎ形半導体層２０は、下地層２１と、ｎ側コンタクト層２２と、を含む。ｎ側コンタクト層２２は、下地層２１と発光層４０との間に設けられる。下地層２１には、例えばＧａＮ層が用いられる。ｎ側コンタクト層２２には、ｎ形の不純物を含むＧａＮ層が用いられる。
ｎ形不純物として、例えばＳｉ（シリコン）が用いられる。

このように、本具体例では、ｎ形半導体層２０、発光層４０及びｐ形半導体層５０を含む積層構造体１０ｓが設けられている。ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層に向かう方向をＺ軸方向（第１方向、積層方向）とする。積層構造体１０ｓは、ｐ形半導体層５０の側の第１主面１０ａと、ｎ形半導体層２０の側の第２主面１０ｂと、を有している。なお、Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直でＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

本具体例では、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａの側の一部が選択的に除去されている。これにより、第１主面１０ａの側にｎ形半導体層２０の一部が露出している。この露出している部分にｎ側電極７０が設けられている。ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０に接する。実施形態はこれに限らず、ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０の第２主面１０ｂの側に設けられても良い。

ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜が用いられる。例えば、Ｔｉ膜の厚さは０．０５マイクロメートル（μｍ）程度であり、Ｐｔ膜の厚さは０．０５μｍ程度であり、Ａｕ膜の厚さは１．０μｍ程度である。

ｐ側電極８０は、ｐ形半導体層５０に接する。具体的には、ｐ側電極８０は、ｐ側コンタクト層５４に接する。ｐ側電極８０には、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などが用いられる。ＩＴＯをｐ側電極８０に用いる際には、ｐ側電極８０の厚さは、例えば、０．２５μｍである。実施形態はこれに限らず、ｐ側電極８０には、ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）などの複合膜を用いることができる。また、ｐ側電極８０の上にパッド電極となる金属層を設けることができる。

多層積層体３０は、交互に積層された複数の第１層（図示しない）及び複数第２層（図示しない）を含む。第１層は、例えばＧａＮ層である、第１層の厚さは、例えば３ナノメートル（ｎｍ）である。第２層は、例えばＩｎＧａＮ層である。第２層の厚さは、例えば１ｎｍである。第１層の数は、例えば２１層であり、第２層の数は例えば２０層である。多層積層体３０は、例えば超格子層である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、発光層４０の構成の例を示している。
図２（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０ａにおいては、発光層４０は、複数の障壁層（第１障壁層ＢＬ１及びｐ側障壁層ＢＬｐ）と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層（第１井戸層ＷＬ１）と、を含む。この例では、井戸層が１つである。すなわち、発光層４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。

図２（ｂ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、発光層４０は、複数の障壁層（第１障壁層ＢＬ１〜第ｎ障壁層ＢＬｎ及びｐ側障壁層ＢＬｐ）と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層（第１井戸層ＷＬ１〜第ｎ井戸層ＷＬｎ）と、を含む。ここで「ｎ」は、２以上の整数である。この例では、井戸層の数が複数である。すなわち、発光層４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有することができる。「ｎ」は、例えば８である。

障壁層には、アンドープのＧａＮ層が用いられる。障壁層の厚さは、例えば１０ｎｍとされる。井戸層には、例えば、アンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層が用いられる。井戸層の厚さは、例えば２．５ｎｍとされる。
但し、実施形態において、発光層４０の構成は任意である。

障壁層及び井戸層には、窒化物半導体が用いられる。井戸層には、インジウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体が用いられる。障壁層のバンドギャップエネルギーは、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。例えば、障壁層がＩｎを含む場合、障壁層におけるＩｎの濃度は、井戸層におけるＩｎの濃度よりも低い。

なお、障壁層及び井戸層は、発光層４０からの放出される光の波長が所望の値になるように設計される。発光層４０から放出される光の主波長は、例えば３８０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。ここで、主波長は、発光層４０から放出される光のスペクトルの内で強度が最も高い波長である。例えば、室温における発光層４０のフォトルミネッセンスの波長は４５０ｎｍである。

以下では、発光層４０がＭＱＷ構造を有する半導体発光素子１１０に関して説明する。 基板１０には、例えばサファイアが用いられる。基板１０の上にバッファ層１１が形成される。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。バッファ層１１の上に、ｎ形半導体層２０、多層積層体３０、発光層４０及びｐ形半導体層５０が順次形成される。バッファ層１１の上に上記の半導体層を形成した後に、基板１０を除去しても良い。

図１に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、ｐ側コンタクト層５４は、平坦部５４ａと、複数の突起部５４ｂと、を有する。複数の突起部５４ｂは、平坦部５４ａとｐ側電極８０との間に設けられる。複数の突起部５４ｂは、平坦部５４ａからｐ側電極８０に向かって突出している。複数の突起部５４ｂの側面及び上部は、ｐ側電極８０に取り囲まれている。

図３は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。 すなわち、同図は、ｐ側コンタクト層５４の構成の例を示している。
図３に表したように、平坦部５４ａは、Ｚ軸方向に対して垂直な平面（例えばＸ−Ｙ平面に対して平行な面）を有する。すなわち、平坦部５４ａは、Ｚ軸方向に対して垂直な平面内に延在する層である。突起部５４ｂは、平坦部５４ａからｐ側電極８０に向かって突出する。

複数の突起部５４ｂのＺ軸方向に沿った高さｈ１は、発光層４０から放出される光の波長の１／４の長さよりも小さい。
そして、複数の突起部５４ｂのＺ軸方向に対して垂直な平面内における密度は、５×１０^７個／ｃｍ^２以上、２×１０^８個／ｃｍ^２以下である。

これにより、半導体発光素子における駆動電圧を低減できる。
上記の構成により、ｐ側コンタクト層５４とｐ側電極８０との接触抵抗を低減できる。

なお、複数の突起部５４ｂの密度は、後述するように、例えば、ｐ側コンタクト層５４の表面を原子間力顕微鏡により撮像し、その撮像結果をデータ処理することで得られる。

突起部５４ｂは、錐状である。突起部５４ｂは、例えば多角錐状である。突起部５４ｂの先端の太さは、突起部５４ｂの基部の太さよりも細い。すなわち、複数の突起部５４ｂのそれぞれの先端部分をＺ軸方向に対して垂直な平面で切断した径ｄ１は、複数の突起部５４ｂの平坦部５４ａの側の部分の径ｄ２よりも小さい。

複数の突起部５４ｂの平坦部５４ａの側の部分の径ｄ２は、例えば４００ｎｍ以下である。
高さｈ１は、例えば５０ｎｍ以下である。さらに具体的には、高さｈ１は、２０ｎｍ以下である。
径ｄ２の大きさが４００ｎｍよりも大きくなると、高濃度にＭｇをドープした場合、Ｍｇ濃度が高い部分が一様に形成されることと実質的に同じ状態となり、この状態においては、結晶の欠陥が発生し易く、接触抵抗Ｒが増大しやすい。
高さｈ１が５０ｎｍよりも大きくなると、高濃度にＭｇをドープした場合、結晶の欠陥が発生し易く、接触抵抗Ｒが増大しやすい。

このような突起部５４ｂを設けることで接触抵抗が低減でき駆動電圧が低下できることは、発明者が行った独自の実験により見出された。以下、この実験について説明する。すなわち、作製した試料及びその評価結果について説明する。

まず、基板１０（サファイア基板）を有機洗浄及び酸洗浄によって処理した。その後、基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を用い、バッファ層１１となるＧａＮ層を形成した。バッファ層１１の厚さは、２０ｎｍである。

次に、キャリアガスとして窒素及び水素を用い、ＴＭＧ及びＮＨ_３を用い、１１２０℃で、下地層２１となるアンドープＧａＮ層を形成した。下地層２１の厚さは、２μｍである。

続いて、キャリアガスとして窒素及び水素を用い、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びシラン（ＳｉＨ_４）を用い、１１２０℃で、ｎ側コンタクト層２２となるｎ形ＧａＮ層を形成した。ｎ側コンタクト層２２の厚さは、４μｍである。ＳｉＨ_４が、ｎ形不純物の原料となる。

次に、窒素雰囲気にて、ＴＭＧ及びＮＨ_３を用いて、８００℃で、アンドープのＧａＮ層を形成し、続いて、８００℃で、さらにトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を追加し、アンドープのＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層を形成した。アンドープのＧａＮ層が、第１層となる。第１層の厚さは、３ｎｍである。アンドープのＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層が第２層となる。第２層の厚さは、１ｎｍである。その後、上記の第１層の形成及び第２層の形成を繰り返した。第１層の形成及び第２層の形成の実施回数は、合計でそれぞれ２０回である。そして、最後に、第１層をさらに形成した。これにより、多層積層体３０が形成される。

次に、窒素雰囲気にて、ＴＭＧ及びＮＨ_３を用い、障壁層となるアンドープのＧａＮ層を形成した。障壁層の厚さは５ｎｍである。続いて、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＮＨ_３を用い、井戸層となるアンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層を形成した。井戸層の厚さは２．５ｎｍである。上記の障壁層の形成及び井戸層の形成を繰り返した。障壁層の形成及び井戸層の形成の実施回数は、合計でそれぞれ８回である。さらに、最後に、障壁層を形成した。これにより、発光層４０が形成される。

次に、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いて、１０００℃で、第１ｐ形層５１となるｐ形ＡｌＧａＮ層を形成した。Ｃｐ_２Ｍｇが、ｐ形不純物の原料となる。第１ｐ形層５１の厚さは、１０ｎｍである。

さらに、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びＣｐ_２Ｍｇを用いて、第２ｐ形層５２となるｐ型ＧａＮ層を形成した。第２ｐ形層５２の厚さは、８０ｎｍである。

次に、窒素及び水素を含む雰囲気にて、ＴＭＧ、ＮＨ_３及びＣｐ_２Ｍｇを用いて、第３ｐ形層５３となるｐ型ＧａＮ層を形成した。第３ｐ形層５３の厚さは、５ｎｍである。

さらに、窒素、水素及びアンモニアの供給比を変化させるとともに、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量を増加させ、ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層を形成した。ｐ側コンタクト層５４の厚さは、平均で５ｎｍである。

ｐ側コンタクト層５４は、平坦部５４ａと突起部５４ｂとを有している。平坦部５４ａの厚さが、例えば４ｎｍ程度であり、突起部５４ｂの高さが５ｎｍ程度である。突起部５４ｂの密度を勘案すると、平坦部５４ａと突起部５４ｂとを合計し平均したときのｐ側コンタクト層５４の厚さは、５ｎｍ程度となる。
上記の結晶成長の後、温度を室温まで下げた。

上記のようにして得られた積層構造体１０ｓの一部を、ｎ側コンタクト層２２の一部に達するまでドライエッチングによって除去した。これにより露出したｎ側コンタクト層２２に、ｎ側電極７０となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜を形成した。また、ｐ側コンタクト層５４の上には、ｐ側電極８０となるＩＴＯ膜を形成した。
これにより、半導体発光素子が得られる。

実験においては、ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層の形成条件を変えて半導体発光素子を形成した。そして、ｐ側コンタクト層５４の表面状態を評価した。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、図４（ａ）及び図５（ａ）は、ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）像である。これらの像は、１０μｍ四方の領域を示している。高さスケールは５ｎｍである。

図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、図４（ａ）及び図５（ａ）からそれぞれ得られるｐ側コンタクト層５４の断面プロファイルである。図４（ｂ）及び図５（ｂ）の横軸は、Ｘ軸方向における位置である。縦軸は、Ｚ軸方向に沿った表面の高さｈである。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０に対応し、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、参考例の半導体発光素子１１９に対応する。

半導体発光素子１１０と半導体発光素子１１９とでは、ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層の形成条件が異なる。具体的には、ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層の形成において、半導体発光素子１１０におけるｐ形不純物の供給量は、半導体発光素子１１９におけるｐ形不純物の供給量よりも多い。

図４（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０においては、ｐ側コンタクト層５４に、突起部５４ｂが形成されている。突起部５４ｂは、多角錐台状である。

図４（ｂ）に表したように、突起部５４ｂの高さｈ１は０．５ｎｍ〜１ｎｍ程度である。複数の突起部５４ｂの平坦部５４ａの側の部分の径ｄ２は、約４００ｎｍである。この表面の二乗平均面粗さ（ＲＭＳ）は、０．３４ｎｍである。

このように突起部５４ｂを有する半導体発光素子１１０においては、接触抵抗は１．７×１０^−３Ωｃｍ^２であった。

一方、図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように、参考例の半導体発光素子１１９においては、ｐ側コンタクト層５４に明確な突起部が観察されない。この表面のＲＭＳは、０．２４ｎｍであった。すなわち、ｐ側コンタクト層５４には突起部が形成されない。

なお、半導体発光素子１１９においては、接触抵抗は、５．０×１０^−２Ωｃｍ^２であった。

このように、半導体発光素子１１０と半導体発光素子１１９とにおいて、突起部５４ｂに差があり、接触抵抗にも差があった。
実施形態においては、ｐ側コンタクト層５４の表面の二乗平均面粗さ（ＲＭＳ）は、０．３以上である。

このように、ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層の形成条件によって、ｐ側コンタクト層５４に突起部５４ｂが形成される場合と、されない場合と、があることが分かった。ｐ側コンタクト層５４となるｐ型ＧａＮ層の形成条件を変えて試料を作製し、突起部５４ｂの密度の変化を評価した。さらに、このときの接触抵抗及び駆動電圧を評価した。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図６（ａ）は接触抵抗を示し、図６（ｂ）は駆動電圧を示す。これらの図の横軸は、突起部５４ｂの密度Ｃｐ（Ｚ軸方向に対して垂直な平面における突起部５４ｂの密度）である。図６（ａ）の縦軸は、ｐ側コンタクト層５４とｐ側電極８０との接触抵抗Ｒである。図６（ｂ）の縦軸は、半導体発光素子の駆動電圧Ｖｆである。駆動電圧Ｖｆは、電流が２０ミリアンペア（ｍＡ）のときの駆動電圧である。

図６（ａ）に表したように、突起部５４ｂの密度Ｃｐが０のとき、すなわち、突起部５４ｂが形成さないときには、接触抵抗Ｒは、５×１０^−２Ωｃｍ^２と大きい。この条件は、参考例の半導体発光素子１１９に相当する。突起部５４ｂの密度Ｃｐが高くなるに従って接触抵抗Ｒは低下する。しかしながら、密度Ｃｐが１．５×１０^−８個／ｃｍ^２を超えると、接触抵抗Ｒは上昇する。このように、密度Ｃｐが特定の値の範囲であるときに、接触抵抗Ｒは低減する。

密度Ｃｐが高くなるに従って接触抵抗Ｒが低下するのは、密度Ｃｐが高くなるに従ってｐ側コンタクト層５４とｐ側電極８０との接触面積が増大するためであると考えられる。密度Ｃｐが高くなり過ぎると、例えば、Ｍｇの偏析が生じ、ｐ側コンタクト層５４の結晶品質が低下し易い。このため、密度Ｃｐが高くなり過ぎると、接触抵抗Ｒが上昇するものと考えられる。

図６（ａ）から、突起部５４ｂの密度Ｃｐが、５×１０^７個／ｃｍ^２以上、２×１０^８個／ｃｍ^２以下であるときに、接触抵抗Ｒが低下することが分かる。すなわち、この範囲において、接触抵抗Ｒの低減の効果が実用的に得られる。

図６（ｂ）に表したように、駆動電圧Ｖｆは、突起部５４ｂの密度が所定の範囲のときに低下する。特に、突起部５４ｂの密度Ｃｐが、５×１０^７個／ｃｍ^２以上、２×１０^８個／ｃｍ^２以下であるときに、駆動電圧Ｖｆが低い。

突起部５４ｂの密度は、例えばＡＦＭ像を基に、一定の面積（例えば１０μｍ四方など）あたりの突起部５４ｂの数を計測することにより求められる。

実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、突起部５４ｂの密度Ｃｐを上記の範囲に設定することで、接触抵抗Ｒを低減する。これにより、電流を増加しても発熱量が増大し難い。このため、発熱による発光特性の低下や信頼性の低下が抑制できる。すなわち、大電流を印加する高出力の半導体発光素子において、発光特性が向上でき、信頼性が向上できる。

突起部５４ｂの密度Ｃｐは、ｐ側コンタクト層５４の形成条件により変化することが分かった。例えば、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、ｐ側コンタクト層５４の形成の際にｐ側コンタクト層５４に導入するＭｇ元素の濃度（平均の濃度）により変化する。

図７は、半導体発光素子の特性を例示するグラフである。
すなわち、同図は、ｐ側コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍと、突起部５４ｂの密度Ｃｐと、の関係を示している。Ｍｇの濃度Ｃｍは、ｐ側コンタクト層５４を二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）法により分析した結果である。この分析においては、分析の面積は例えば２００μｍ程度である。この分析においては、ｐ形コンタクト層５４における深さ方向と層面方向との両方における平均のＭｇの濃度が得られる。

図７に表したように、ｐ側コンタクト層５４におけるＭｇの濃度Ｃｍが大きくなると、突起部５４ｂの密度Ｃｐは増大する。

例えば、Ｍｇの濃度Ｃｍが５×１０^１９／ｃｍ^３のときは、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、１×１０^６個／ｃｍ^２である。例えば、Ｍｇの濃度Ｃｍが３×１０^２０／ｃｍ^３のときは、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、１．５×１０^６個／ｃｍ^２に急激に増大する。そして、Ｍｇの濃度Ｃｍが３×１０^２０／ｃｍ^３よりも高い範囲においては、突起部５４ｂの密度Ｃｐの変化は緩やかになる。

なお、Ｍｇの濃度Ｃｍが３×１０^２０／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３の範囲においては、Ｍｇの濃度Ｃｍが高くなると、突起部５４ｂの大きさ（径ｄ２）が増大する傾向があった。

Ｍｇの濃度Ｃｍが１×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下のときに、突起部５４ｂの密度Ｃｐは５×１０^７個／ｃｍ^２以上、２×１０^８個／ｃｍ^２以下である。

図７に例示した実験結果から、Ｍｇの濃度Ｃｍが１×１０^２０／ｃｍ^３以上５×１０^２１／ｃｍ^３以下のときに、突起部５４ｂの密度Ｃｐを５×１０^７個／ｃｍ^２以上、２×１０^８個／ｃｍ^２以下にできることが分かった。

従って、実施形態においては、ｐ側コンタクト層５４に含まれるＭｇの濃度（例えば平均の濃度）は、１×１０^２０／ｃｍ^３以上、５×１０^２１／ｃｍ^３以下にすることが望ましい。
さらに、具体的には、Ｍｇの濃度（例えば平均の濃度）を１×１０^２０／ｃｍ^３以上、１×１０^２１／ｃｍ^３以下にすることが望ましい。

ｐ側コンタクト層５４に含まれるＭｇの濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３よりも低いと、ｐ側コンタクト層５４におけるＭｇの活性化が不十分となる。このため、ｐ側コンタクト層５４とｐ側電極８０との間の接触抵抗Ｒが増大する。また、ｐ側コンタクト層５４に含まれるＭｇの濃度が５×１０^２１／ｃｍ^３よりも高い場合、ｐ側コンタクト層５４における結晶品質が低下し、やはり、接触抵抗Ｒが増大する。

一般に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３以上の濃度でドープすると、結晶欠陥や極性反転が生じ、結晶品質が低下する。しかしながら、ｐ側コンタクト層５４に突起部５４ｂを設けることで、高濃度でＭｇをドープしても欠陥や極性反転による劣化が生じ難くなる。これにより、Ｍｇの高濃度ドーピングが可能となる。そのため、結晶品質が高い高濃度のｐ側コンタクト層５４の形成が可能になる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、図８（ａ）は、半導体発光素子１１０のｐ側コンタクト層５４におけるＭｇ元素の分布を３次元アトムプローブにより評価した結果の例を模式的に表す図である。この図の横方向はＸ軸方向（Ｘ軸方向の位置Ｘｐ）であり、縦方向はＹ軸方向（Ｙ軸方向の位置Ｙｐ）である。これらの図において、画像の濃度が高い部分はＭｇ元素の濃度が高い部分に対応し、画像の濃度が低い部分はＭｇ元素の濃度が低い部分に対応する。

図８（ｂ）は、半導体発光素子１１０のｐ側コンタクト層５４に含まれるＭｇの濃度Ｃｍ１のＸ軸方向に沿った分布を示している。図８（ａ）の横軸は、Ｘ軸方向における位置である。図８（ｂ）に示された位置Ｘ１及びＸ２は、図８（ａ）に示された位置Ｘ１及びＸ２にそれぞれ対応する。図８（ｂ）の縦軸は、Ｍｇの濃度Ｃｍ１である。濃度Ｃｍ１は、原子百分率で示されている。

図８（ａ）に表したように、ｐ側コンタクト層５４において、Ｍｇ元素の濃度が高い領域が形成されている。すなわち、Ｍｇ濃度が低い領域の中に、Ｍｇ元素の濃度が高い複数の領域が分散されている。このように、ｐ側コンタクト層５４は、Ｚ軸方向に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）内に設けられた第１領域Ｒ１と、Ｘ−Ｙ平面内において、第１領域Ｒ１内に分散された複数の第２領域Ｒ２と、を有している。第２領域Ｒ２に含まれるＭｇの濃度は、第１領域Ｒ１に含まれるＭｇの濃度よりも高い。

図８（ｂ）に表したように、第１領域Ｒ１におけるＭｇの濃度Ｃｍ１は、約１原子パーセントである。第２領域Ｒ２におけるＭｇの濃度Ｃｍ１は、２．５〜３原子パーセントである。第２領域Ｒ２におけるＭｇの濃度Ｃｍ１は、第１領域Ｒ１におけるＭｇの濃度Ｃｍ１の２倍以上である。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、ｐ側コンタクト層５４において、Ｍｇ濃度が高い複数の第２領域Ｒ２が、分散されて形成されていることが分かった。

このように、Ｍｇ濃度にゆらぎが形成されることで、Ｍｇを高濃度でドープしても極性反転が抑制されると考えられる。そして、Ｍｇ濃度にゆらぎが形成されることで、Ｍｇを高濃度でドープしても欠陥の形成が抑制されると考えられる。これにより、高濃度でＭｇをドープでき、これにより、ｐ側コンタクト層５４とｐ側電極８０との接触抵抗Ｒが低減でき、駆動電圧Ｖｆが低下できると考えられる。

Ｍｇ濃度が高い複数の第２領域Ｒ２は、突起部５４ｂに対応する。
すなわち、複数の突起部５４ｂに含まれるＭｇの濃度は、平坦部５４ａに含まれるＭｇの濃度よりも高い。例えば、複数の突起部５４ｂに含まれるＭｇの濃度は、平坦部５４ａに含まれるＭｇの濃度の２倍以上である。

本実施形態においては、ｐ側コンタクト層５４に複数の突起部５４ｂを設けることで、この突起部５４ｂにおけるＭｇ濃度を局所的に高めている。すなわち、Ｍｇ濃度が低い領域（第１領域Ｒ１であり、平坦部５４ａ）と、局所的にＭｇ濃度が高い領域（第２領域Ｒ２であり、突起部５４ｂ）と、が形成される。

突起部５４ｂの密度が高くなりすぎると、Ｍｇ濃度が高い領域の分布が実質的に平均化される。すなわち、ｐ側コンタクト層５４にＭｇ濃度が高い部分が一様に形成されることに相当する。このため、この状態においては、結晶の欠陥が発生し易く、欠陥が拡大し易い。このため接触抵抗Ｒが増大する。

これに対し、実施形態においては、Ｍｇ濃度が高い領域（第２領域Ｒ２）の密度を適切に制御することで、極性反転が抑制でき、欠陥の発生が抑制できる。すなわち、実施形態においては、Ｍｇ濃度が高い領域（第２領域Ｒ２）のＸ−Ｙ平面（Ｚ軸方向に対して垂直な平面）における密度は、５×１０^７個／ｃｍ^２以上、２×１０^８個／ｃｍ^２以下とされる。これにより、接触抵抗Ｒを低減できる。そして、駆動電圧Ｖｆを低減できる。

すなわち、Ｍｇ濃度の高い領域を局在させることで、高濃度ドープによる結晶品質の低下が抑制される。これにより、従来に比べ高濃度のドーピングが可能となり、接触抵抗Ｒの大幅な低減が可能となる。

なお、上記は、ｐ形不純物としてＭｇを用いた場合について説明したが、実施形態はこれに限らない。ｐ形不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣなどの種々の元素を用いることができる。この場合においても、ｐ形不純物の高い領域を局在させることで、高濃度ドープによる結晶品質の低下が抑制される。
すなわち、第２領域Ｒ２に含まれるｐ形不純物の濃度は、第１領域Ｒ１に含まれるｐ形不純物の濃度よりも高い。そして、複数の突起部５４ｂに含まれるｐ形不純物の濃度は、平坦部５４ａに含まれるｐ形不純物の濃度よりも高い。

図９（ａ）〜図９（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、ｐ側コンタクト層５４に種々の処理を施した後のｐ側コンタクト層５４の表面の凹凸形状を示している。これらの図は、ｐ側コンタクト層５４の表面を原子間力顕微鏡で評価した結果から求められている。図９（ａ）はｐ側コンタクト層５４を形成した直後の状態に対応している。図９（ｂ）は、エタノール（３分間）及び水（１０分間）の処理後の状態に対応している。図９（ｃ）は、ＮＨ_４Ｆ（３分間）及び水（１０分間）の処理後の状態に対応している。図９（ｄ）は、ＨＣｌ（＋Ｈ_２Ｏ）（２０分間）及び水（１０分間）の処理後の状態に対応している。

図９（ａ）に表したように、ｐ側コンタクト層５４を形成した直後においては、突起部５４ｂの高さ（高さｈ１）は、１．８ｎｍであり、径ｄ２は１９０ｎｍである。このときのＲＭＳは、０．５４ｎｍである。

図９（ｂ）に表したように、エタノール及び水の処理後においては、突起部５４ｂの高さｈ１は、２．８ｎｍであり、径ｄ２は３８０ｎｍである。このときのＲＭＳは、０．４５ｎｍである。

図９（ｃ）に表したように、ＮＨ_４Ｆ及び水の処理後においては、突起部５４ｂの高さｈ１は、３ｎｍであり、径ｄ２は２５０ｎｍである。このときのＲＭＳは、０．４５ｎｍである。

図９（ｄ）に表したように、ＨＣｌ（＋Ｈ_２Ｏ）及び水の処理後においては、突起部５４ｂの高さｈ１は、２．５ｎｍであり、径ｄ２は２５０ｎｍである。このときのＲＭＳは、０．４１ｎｍである。

このように、ｐ側コンタクト層５４に種々の薬液による処理を施しても、突起部５４ｂの構造は実質的に変化しない。

なお、ｐ側コンタクト層５４の表面に極性反転層が形成されると、例えば上記のような薬液による処理により極性反転層がエッチングされる。このため、この場合には、上記のような薬液による処理によって、表面の凹凸のプロファイルは大きく変化する。

実施形態においては、極性反転層が形成されておらず、種々の薬液の処理を実施しても、ｐ側コンタクト層５４の表面の凹凸（突起部５４ｂ）のプロファイルは安定である。

既に説明したように、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、ｐ側コンタクト層５４の形成の際にｐ側コンタクト層５４に導入するＭｇ元素の濃度により変化する。さらに、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、他の条件にも依存する。例えば、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、ｐ側コンタクト層５４の形成の際の成長速度にも依存する。実験によると、成長速度が遅いと密度Ｃｐが増大する傾向がある。また、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、ｐ側コンタクト層５４の形成の際の温度にも依存する。実験によると、成長温度が高いと密度Ｃｐが増大する傾向がある。また、突起部５４ｂの密度Ｃｐは、ｐ側コンタクト層５４の形成の際のキャリアガスにも依存する。実験によると、成長雰囲気中の窒素分圧が大きいと密度Ｃｐが増大する傾向がある。

実施形態において、ｐ側電極８０として、金属酸化物などの透明電極を用いた場合に、接触抵抗Ｒの低下、及び、駆動電圧Ｖｆの低減の効果は、大きくなる。すなわち、ｐ側電極８０として、ＮｉやＡｕなどの金属を用いた場合には、ｐ形半導体層５０との接触抵抗は比較的低い。しかしながら、ｐ側電極８０として、ＩＴＯなどの金属酸化物を用いた場合には、接触抵抗が高くなりやすい。このため、実施形態の構成を金属酸化物に基づくｐ側電極８０と組み合わせることで、接触抵抗の低下及び駆動電圧の低減の効果が特に高く発揮される。ｐ側電極８０として、金属酸化物に基づく透明電極を用いることで、発光層４０から放出された光を効率良く取り出すことができる。

このように、半導体発光素子１１０においては、ｐ側電極８０は、発光層４０から放出される光に対して透光性を有することが望ましい。そして、ｐ側電極８０は金属酸化物を含むことが望ましい。

ところで、半導体層に凹凸を設け、発光光の光路を変化させて、光取り出し効率を向上する構成がある。例えば、半導体層に、選択成長によって突起部を形成する方法がある。このときの突起部の高さは約１．５μｍである。また、半導体層として、ウエットエッチングにより形成された凹凸を有する極性反転層を用いる構成もある。この場合において、極性反転層の望ましい厚さは、０．１μｍ以上（さらに望ましくは０．３μｍ以上）である。

このように、凹凸によって発光光の光路を変化させる場合には、発光光の波長程度の大きさの凹凸が用いられる。すなわち、発光光の波長よりも著しく小さい凹凸においては、発光光の光路を実質的に変化させない。例えば、発光光の波長の１／４以下の大きさの凹凸においては、光路を変化させる効果が小さい。

実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、複数の突起部５４ｂのＺ軸方向に沿った高さ（高さｈ１）は、発光層４０から放出される光の主波長の１／４の長さよりも小さい。実施形態においては、突起部５４ｂによって、光路の変化の効果を得るのではなく、接触抵抗Ｒを低減する効果を得る。

一方、リソグラフィとエッチングを用いた選択成長により六角錐の周期的な構造を形成する方法もある。
これに対し、実施形態は、選択成長を用いずにｐ側コンタクト層５４の突起部５４ｂを形成する。このため、突起部５４ｂは、平坦部５４ａの上の任意の位置にランダムに形成される。そして、選択成長法を用いないため、製造が簡便である。

なお、実施形態に係る半導体発光素子１１０（及び１１０ａ）の構成の例及び製造条件の例について説明する。ただし、以下は一例であり、種々の変形が可能である。

基板１０には、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡsなどの各種の材料を用いることができる。ｎ形不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎなどの種々の元素を用いることができる。

下地層２１の厚さは、例えば２μｍである。下地層２１にはｎ形不純物をドープしても良い。ｎ側コンタクト層２２の厚さは、例えば４μｍである。ｎ側コンタクト層２２におけるＳｉのドーピング量は、例えば、２×１０^１８／ｃｍ^３程度とされる。なお、下地層２１及びｎ側コンタクト層２２の成長温度は、いずれも１０００℃以上１２００℃以下とされる。また、ｎ側コンタクト層２２として、ＧａＮ層ではなく、厚さが４μｍ程度のＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いても良い。Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いる場合の成長温度は、７００℃以上９００℃以下である。

多層積層体３０の第１層及び第２層の成長温度は、７００℃以上９００℃以下である。第１層及び第２層の少なくともいずれかには、Ｓｉなどのｎ形不純物をドープしても良い。

井戸層の成長温度は、例えば６００℃以上９００℃以下である。障壁層の成長温度は、井戸層の成長温度以上である。障壁層の成長温度は、例えば、６００℃〜１１００℃である。このように、井戸層よりも高い温度で障壁層を形成することで発光層４０の結晶欠陥を低減することができる。

発光層４０には、Ｓｉなどのｎ形不純物や、Ｍｇなどのｐ形不純物をドープしても良い。これらの不純物は、井戸層及び障壁層の両方にドープしても良く、井戸層及び障壁層の少なくとも一部のみにドープしても良い。

第１ｐ形層５１には、ｐ形不純物がドープされたＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎが用いられる。第１ｐ形層５１の厚さは、例えば１０ｎｍ程度である。第１ｐ形層５１におけるＭｇの濃度は、例えば１×１０^１９／ｃｍ^３程度とされる。第１ｐ形層５１の成長温度は、例えば９００℃以上１１００℃以下である。

第２ｐ形層５２の厚さは、例えば１００ｎｍ程度である。第２ｐ形層５２におけるＭｇの濃度は、例えば１×１０^１９／ｃｍ^３程度とされる。第２ｐ形層５２の成長温度は、例えば９００℃以上〜１１００℃である。

第３ｐ形層５３の厚さは、例えば５ｎｍである。第３ｐ形層５３におけるＭｇの濃度は、例えば１×１０^２０／ｃｍ^３程度である。

ｐ側コンタクト層５４の厚さは、例えば５ｎｍである。ｐ側コンタクト層５４におけるＭｇの濃度は、第３ｐ形層５３におけるＭｇの濃度よりも高い。

半導体発光素子１１０における半導体層の結晶成長においては、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などが用いられる。

上記において、半導体発光素子１１０（及び１１０ａ）は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）である。ＬＥＤの発光波長は、紫外、紫色、青色、青緑色、緑色または赤色とすることができる。さらに、実施形態は、紫外、紫色、青色、青緑色、緑色または赤色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などに応用できる。

実施形態によれば、駆動電圧が低い半導体発光素子が提供される。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれるｎ形半導体層、ｐ形半導体層、発光層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層構造体、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ形半導体層、 ２１…下地層、 ２２…ｎ側コンタクト層、 ３０…多層積層体、 ４０…発光層、 ５０…ｐ形半導体層、 ５１…第１ｐ形層、 ５２…第２ｐ形層、 ５３…第３ｐ形層、 ５４…ｐ側コンタクト層、 ５４ａ…平坦部、 ５４ｂ…突起部、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極（電極）、 １１０、１１０ａ、１１９…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬｎ、ＢＬｐ…障壁層、 Ｃｍ…濃度、 Ｃｍ１…濃度、 Ｃｐ…密度、 Ｒ…接触抵抗、 Ｒ１、Ｒ２…第１及び第２領域、 Ｖｆ…駆動電圧、 ＷＬ１〜ＷＬｎ…井戸層、 Ｘ１、Ｘ２、Ｘｐ…位置、 Ｙｐ…位置、 ｄ１、ｄ２…径、 ｈ１…高さ

Claims (4)

1. ｎ形半導体層と、
   電極と、
   前記ｎ形半導体層と前記電極との間に設けられ、前記電極に接するｐ側コンタクト層を
   含むｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光層と、
   を備え、
   前記ｐ側コンタクト層は、第１領域と、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に対して垂直な平面内に分散された複数の第２領域と、を含み、
   前記複数の第２領域におけるＭｇ濃度は、２．５〜３原子パーセントであり、前記第１領域におけるＭｇの濃度の２倍以上であり、
   前記複数の第２領域の前記平面内における密度は、５×１０ ^７ 個／ｃｍ ^２ 以上、２×１０ ^８ 個／ｃｍ ^２ 以下であることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ｐ側コンタクト層の平均のＭｇの濃度は、１×１０^２０／ｃｍ^３以上、５×１０^２１／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記電極は、前記発光層から放出される光に対して透光性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記電極は金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。