JP5983554B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光出力を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。
従来から、III 族窒化物半導体発光素子が知られている。例えば、特許文献１において、活性層と活性層を挟むガイド層とをコアとして、コアの両側に、それぞれ、２層構造のｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とを配置させたレーザが知られている。このレーザでは、活性層に近い側のｎ型クラッド層とｐ型クラッド層の不純物濃度を、遠い側のｎ型クラッド層とｐ型クラッド層の不純物濃度よりも、それぞれ、低くすることで、自由キャリア吸収損失を減少させて、しきい値電圧を低下させている。また、２層構造のそれぞれのｎ型クラッド層は、超格子層である。
また、特許文献２において、ｎ型ＧａＮから成るｎ型コンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮから成るｎ型クラッド層、活性層とを有する発光素子において、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との間に、ｎ型ＧａＮから成るクラック防止層を設けたIII 族窒化物半導体発光素子が知られている。このクラック防止層の不純物濃度は、ｎ型コンタクト層の不純物濃度よりも小さくしている。クラック防止層をＧａＮとすることで、導波損失の増加を抑制している。
また、特許文献３においては、バッファ層の上に、膜厚０．６μｍ、Ｓｉ濃度２×１０18／ｃｍ3 、電子濃度１×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープＧａＮから成るｎ層（第１低不純物濃度層）、膜厚４．０μｍ、Ｓｉ濃度４×１０18／ｃｍ3 、電子濃度２×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープＧａＮから成る高キャリア濃度ｎ+ 層（高不純物濃度層）、膜厚０．５μｍ、Ｓｉ濃度１×１０18／ｃｍ3 、電子濃度５×１０17／ｃｍ3 のＳｉドープＧａＮから成るｎ層（第２低不純物濃度層）、発光層が、この順に形成された発光素子が知られている。
また、特許文献４においては、ｎ型コンタクト層の上に、膜厚１μｍ、電子濃度５×１０17／ｃｍ3 、ＳｉドープのＡｌ0.08Ｇａ0.92Ｎから成るｎクラッド層、膜厚１００ｎｍ、電子密度５×１０17／ｃｍ3 のＳｉドープのＧａＮから成るｎガイド層、その上に活性層を設けたレーザが知られている。
また、特許文献５において、バッファ層の上に、膜厚３μｍ、Ｓｉ濃度１×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープＡｌＧａＮから成るコンタクト層、膜厚１μｍ、Ｓｉ濃度１×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープＡｌＧａＮから成るクラッド層、膜厚０．１μｍ、Ｓｉ濃度１×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープＧａＮから成る光導波層、発光層が、この順に形成された発光素子が知られている。
特開２００２−２９９７６２ 特許第３９０９６９４ 特開平１０−４２１０ 特開２００１−１９６７０２ 特開２００１−４４４９７
上記特許文献１〜５は、サファイアなどの異種基板の上に、III 族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させた素子である。発光素子において、発光層の結晶性を低下させないために、発光層と接合するｎ層のＳｉ濃度を５×１０18／ｃｍ3 程度以下（不純物無添加を含む）と低濃度にしている。
ところが、本発明者は、成長基板をIII 族窒化物半導体として、III 族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させた発光素子の場合には、発光層と接合するｎ層のＳｉ濃度を５×１０18／ｃｍ3 程度以下と低濃度にした場合には、サファイア基板を用いた発光素子に比べて発光出力は、向上しないことを発見した。
この原因について、本願発明者は、次のように考察した。サファイアなどの異種基板の上に、III 族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させた場合には、基板と成長させるIII 族窒化物半導体との格子不整合が大きいために、図７に示されているように、成長と共に下層から高密度のピットが拡大する。ピットは、発光層の上面において、直径が１５０ｎｍ〜２００ｎｍと大きくなり、密度も、１×１０8 ／ｃｍ2 〜１×１０9 ／ｃｍ2 と大きいものであった。このピットに、ｐ層の半導体が充填されるために、電圧が印加されるｎ層とｐ層間の距離が等価的に短くなり、発光層に接合するｎ層のＳｉ濃度が５×１０18／ｃｍ3 程度以下と低濃度であって導電率が低くとも、発光層での電子と正孔の再結合が発生し易くなり、高い発光出力が得られる。
これに対して、成長基板をIII 族窒化物半導体として、III 族窒化物半導体をホモエピタキシャル成長させた場合には、エピタキシャル成長層の結晶性が良くなり、発光層におけるピット密度が低く、ピットの直径も小さいものとなる。このため、発光層に接するｎ層におけるＳｉ濃度を、サファイア基板を用いた素子と同様に、５×１０18／ｃｍ3 程度と低濃度にすると、上記のピットに充填されるｐ層の効果が小さくなり、電圧が印加されるｐ層とｎ層との等価距離が長くなる。このため、発光層での電子と正孔の再結合の率が低下して、サファイア基板を用いた発光素子と比べて、高い発光出力が得られないものと、本願発明者らは考えた。
そこで、本発明の目的は、III 族窒化物半導体を成長基板として、III 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成した発光素子において、発光出力の低下を抑制することである。
また、他の発明の目的は、基板にIII 族窒化物半導体でない異種基板を用いた場合においても、発光層でのピット密度やピット直径が小さい発光素子において、発光出力の低下を抑制することである。
第１の発明は、III 族窒化物半導体から成る基板の面上に、複数のIII 族窒化物半導体から成る層を有した発光素子において、発光素子は、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層と、発光層と、発光層とｎ型コンタクト層との間に形成されたｎ型クラッド層とを有し、ｎ型クラッド層は、発光層に対して近い側に位置し発光層と接合する単層の第１ｎ型クラッド層と、第１ｎ型クラッド層よりも発光層に対して遠い側に位置し第１ｎ型クラッド層と接合する単層の第２ｎ型クラッド層との少なくとも２層の構造を有し、第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、第１ｎ型クラッド層の厚さを、第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くし、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、１．２×１０ 19 ／ｃｍ 3 以上、２．５×１０ 19 ／ｃｍ 3 以下であり、第１ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、発光層のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピット密度は、５．０×１０ 6 ／ｃｍ 2 以下であり、発光層のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピットの直径は１００ｎｍ以下であり、第２ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度は、１．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以上、５．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以下であり、第２ｎ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、発光出力を、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度が１．０×１０ 19 ／ｃｍ 3 より少ない場合に比べて大きくしたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
本発明の発光素子は、III 族窒化物半導体基板、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を、少なくとも有すれば、他の機能を果たす層が、複数存在していても良い。また、発光層と第１ｎ型クラッド層とは、直接、接合している。発光層は、単層であっても、一つの井戸層と両側に障壁層とを有するＳＱＷ、井戸層と障壁層との多周期構造から成るＭＱＷであっても良い。基板の材料は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、任意組成比のIII 族窒化物半導体を用いることができる。基板の上に成長させる半導体層であるｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層などは、任意組成比の４元系のＡｌＧａＩｎＮ、３元系のＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮ、２元系のＧａＮの半導体を用いることができる。これらの半導体において、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素（第３Ｂ族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素（第５Ｂ族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものであっても良い。
本発明において、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、１．２×１０19／ｃｍ3 以上、２．５×１０19／ｃｍ3 以下である。また、第１ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。発光層のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピット密度は、５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下である。下限値は、小さい程望ましいが、ホモエピタキシャル成長において、ピットの発生を避けられない状態の値である。発光層のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピットの直径は１００ｎｍ以下である。ピット直径も小さい程望ましいが、下限値は、ホモエピタキシャル成長において、ピットの発生を避けられない状態の値である。第２ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度は、１．０×１０18／ｃｍ3 以上、５．０×１０18／ｃｍ3 以下であることが望ましい。すなわち、従来のｎ型クラッド層のＳｉ濃度程度である。この範囲のときに、発光素子の発光出力は、サファイア基板を用いた発光素子の発光出力よりも大きい。第２ｎ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。
また、第２の発明は、III 族窒化物半導体と異なる異種基板の面上に、複数のIII 族窒化物半導体から成る層を有した発光素子において、発光素子は、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層と、発光層と、発光層とｎ型コンタクト層との間に形成されたｎ型クラッド層とを有し、発光層のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピット密度は５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下、ピットの直径は１００ｎｍ以下であり、ｎ型クラッド層は、発光層に対して近い側に位置し発光層と接合する単層の第１ｎ型クラッド層と、第１ｎ型クラッド層よりも発光層に対して遠い側に位置し第１ｎ型クラッド層に接合する単層の第２ｎ型クラッド層との少なくとも２層の構造を有し、第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、第１ｎ型クラッド層の厚さを、第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くし、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、１．２×１０ 19 ／ｃｍ 3 以上、２．５×１０ 19 ／ｃｍ 3 以下であり、第１ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、第２ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度は、１．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以上、５．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以下であり、第２ｎ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、発光出力を、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度が１．０×１０ 19 ／ｃｍ 3 より少ない場合に比べて大きくしたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
第１の発明において、発光層のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピット密度は、５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下であり、ピットの直径は１００ｎｍ以下が得られていることが測定された。本発明者らの上記の考察によると、発光出力の低下が、ピット密度とピット直径の低減にあるので、異種基板を用いた発光素子においても、横方向成長、サーファクタントを用いた成長、ＭＢＥやその他の成長法や、ＭＯＣＶＤ法の進化などにより、発光層の上面におけるピット密度とピット直径が上記の値以下となる場合には、本願発明の要部構成を用いることができる。
すなわち、第１の本発明の要部である第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、第１ｎ型クラッド層の厚さを、第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くする構成は、発光層の上面でのピット密度が５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下、ピット直径が１００ｎｍ以下となっている場合には、採用することが可能である。したがって、上記の第２発明が成立する。第２発明の基板材料は、サファイア、炭化珪素、シリコン、二酸化亜鉛などを用いることができる。
第２発明において、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、１．０×１０19／ｃｍ3 以上、２．５×１０19／ｃｍ3 以下であることが望ましい。また、第１ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることが望ましい。第２ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度は、１．０×１０18／ｃｍ3 以上、５．０×１０18／ｃｍ3 以下であることが望ましい。第２ｎ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることが望ましい。数値範囲の意義は、第１の発明と同一であり、他の構成についても、第１の発明において説明した事項が成立する。
本発明によれば、ｎ型クラッド層を、発光層に対して近い側に位置する第１ｎ型クラッド層と、第１ｎ型クラッド層よりも発光層に対して遠い側に位置する第２ｎ型クラッド層との少なくとも２層を有する構造とし、第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、第１ｎ型クラッド層の厚さを、第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くしたことにより、サファイア基板を用いた発光素子（単一のｎ型クラッド層を用いた点を除き、他の構成と寸法は同一）に比べて発光強度を向上させることができた。
本発明の実施例１に係る発光素子を示した構造図。 発光素子の製造工程を示した素子の断面図。 本発明の実施例１に係る発光素子の第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度と発光出力との関係を示した特性図。 従来例に係るサファイア基板を用いた発光素子のｎ型クラッド層のＳｉ濃度と発光出力との関係を示した特性図。 本発明の実施例２に係る発光素子を示した構造図。 本発明の実施例３に係る発光素子を示した構造図。 従来例に係るサファイア基板を用いた発光素子に発生するピットを示した構造図。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照して説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
本実施例の発光素子は、主面がｃ面であるＧａＮ基板上に、III 族窒化物半導体から成る複数の層を成長させた発光素子である。
図１は、本発明の実施例に係る発光素子１の構成を示した図である。発光素子１は、不純物無添加のＧａＮ基板１００上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層１０１、ＥＳＤ層（静電耐圧改善層）１０２、ｎ型クラッド層１０３、発光層１０４、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７、が積層されている。ｐ型コンタクト層１０７上に透明電極（ＩＴＯなど）であるｐ電極１０８が形成され、ｐ電極１０８の角部にパッド電極１０９が形成されている。ｐ型コンタクト層１０７側から一部領域がエッチングされて露出したｎ型コンタクト層１０１上にｎ電極１３０が形成されている。また、ＧａＮ基板１００の裏面１００ｂには、アルミニウムから成る反射膜９０が形成されている。本実施例の発光素子は、ｐ電極１０８（ＩＴＯなど）の側から光を出力するフェースアップ型とした。
ｎ型コンタクト層１０１は、厚さ２μｍのＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3 以上のｎ−ＧａＮである。また、ｎ型コンタクト層１０１の貫通転位密度は、厚さ１μｍ以上において、５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下である。ｎ電極１３０とのコンタクトを良好とするために、ｎ型コンタクト層１０１をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
ＥＳＤ層１０２は、ｎ型コンタクト層１０１側から第１ＥＳＤ層１１０、第２ＥＳＤ層１１１、第３ＥＳＤ層１１２、第４ＥＳＤ層１１３の４層構造である。第１ＥＳＤ層１１０は、Ｓｉ濃度が１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮである。第１ＥＳＤ層１１０の厚さは２００〜１０００ｎｍである。
第２ＥＳＤ層１１１は、ＳｉがドープされたＧａＮであり、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 ）である。たとえば、第２ＥＳＤ層１１１の厚さを３０ｎｍとする場合にはＳｉ濃度は３．０×１０18〜１．２×１０19／ｃｍ3 である。
第３ＥＳＤ層１１２は、ノンドープのＧａＮである。第３ＥＳＤ層１１２の厚さは５０〜２００ｎｍである。第３ＥＳＤ層１１２はノンドープであるが、残留キャリアによりキャリア濃度が１×１０16〜１×１０17／ｃｍ3 となっている。なお、第３ＥＳＤ層１１２には、キャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 以下となる範囲でＳｉがドープされていてもよい。
第４ＥＳＤ層１１３は、ＳｉがドープされたＧａＮであり、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 ）である。たとえば、第４ＥＳＤ層１１３の厚さを３０ｎｍとする場合にはＳｉ濃度は３．０×１０18〜１．２×１０19／ｃｍ3 である。
ｎ型クラッド層１０３は、第２ｎ型クラッド層１３２と、その上に形成された第１ｎ型クラッド層１３１との２層構造である。第２ｎ型クラッド層１３２は、厚さ１４０ｎｍのＳｉ濃度１．０×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎである。また、第１ｎ型クラッド層１３１は、厚さ１０ｎｍのＳｉ濃度２．０×１０19／ｃｍ3 のＳｉドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎである。ｎ型クラッド層１０３の全体の厚さは、１５０ｎｍである。ｎ型クラッド層１０３の全体の厚さは、１０５ｎｍ以上、５５０ｎｍ以下が望ましい。
なお、第２ｎ型クラッド層１３２の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下とすることができる。１００ｎｍよりも薄いと、正孔のブロックの機能が低下し、正孔及び光を発光層１０４に閉じ込める効果が低減する。また、５００ｎｍよりも厚いと、クラッド層として必要以上に厚くなり、クラッド層の抵抗が大きくなり、また、製造時間が長くなるので望ましくない。第２ｎ型クラッド層１３２におけるＳｉ濃度は、１．０×１０18／ｃｍ3 以上、５．０×１０18／ｃｍ3 以下が望ましい。Ｓｉ濃度が１．０×１０18／ｃｍ3 よりも低いと、導電率が低下し、駆動電圧が上昇するので望ましくない。Ｓｉ濃度が５．０×１０18／ｃｍ3 より高いと、発光層１０４の結晶性が低下するので望ましくない。
また、第１ｎ型クラッド層１３１の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下とすることができる。第１ｎ型クラッド層１３１の厚さが、５ｎｍよりも薄いと、この層のＳｉ濃度を大きくして電子濃度を向上させた効果が低減し、第１ｎ型クラッド層１３１に対する発光層１０４の界面の電位を面上一様にすることが困難となり、発光出力の向上が実現されない。また、第１ｎ型クラッド層１３１の厚さが、５０ｎｍよりも厚くなると、高濃度のＳｉにより発光層１０４の結晶性が低下したり、発光層１０４へのＳｉの拡散量が多くなるので望ましくない。第１ｎ型クラッド層１３１のＳｉ濃度は、１．０×１０19／ｃｍ3 以上、２．５×１０19／ｃｍ3 以下が望ましい。Ｓｉ濃度が１．０×１０19／ｃｍ3 よりも低いと、第１ｎ型クラッド層１３１に対する発光層１０４の界面において、面上一様な電位を印加できないので望ましくない。Ｓｉ濃度が２．５×１０19／ｃｍ3 より高いと、発光層１０４へのＳｉの拡散量が増加したり、発光層１０４の結晶性が低下するので望ましくない。
発光層１０４（活性層ともいう）は、厚さ２．４ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を８回繰り返し積層させたＭＱＷ構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、第１ｎ型クラッド層１３１に接する層をＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、最後に形成する層、すなわち、ｐ型クラッド層１０６に接する層をＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４としている。発光層１０４の全体の厚さは５４．４ｎｍである。発光層１０４の全ての層は、ノンドープである。
ｐ型クラッド層１０６は、厚さ３３ｎｍのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎから成り、ｐ型不純物としてＭｇが濃度１×１０20／ｃｍ3 にドープされている。ｐ型コンタクト層１０７は、Ｍｇをドープしたｐ−ＧａＮである。ｐ電極とのコンタクトを良好とするために、ｐ型コンタクト層１０７をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。ｎ型クラッド層１０３とｐ型クラッド層１０６は発光素子１０４に正孔と電子と光を閉じ込める機能を有する。
なお、ｐ型クラッド層１０６は、超格子構造として良い。例えば、厚さ１．７ｎｍのｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、厚さ３．０ｎｍのｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を多数回、例えば、５〜１２回程度繰り返し積層させた構造としても良い。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層１０４に接する層をｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、最後に形成する層、すなわち、ｐ型コンタクト層１０７に接する層をｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ層とするのが良い。
次に、発光素子１の製造方法について図２を参照して説明する。ただし、図２では、図１で示された超格子の周期構造の表示は省略されている。用いた結晶成長方法は有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）である。ここで用いられたガスは、キャリアガスは水素と窒素（Ｈ2 又はＮ2 ）を用い、窒素源には、アンモニアガス（ＮＨ3 ）、Ｇａ源には、トリメチルガリウム（Ｇａ(CH3)3：以下「ＴＭＧ」と書く。) 、Ｉｎ源には、トリメチルインジウム（Ｉｎ(CH3)3：以下「ＴＭＩ」と書く。) 、Ａｌ源には、トリメチルアルミニウム（Ａｌ(CH3)3：以下「ＴＭＡ」と書く。) 、ｎ型ドーパントガスには、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーパントガスには、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ：以下「ＣＰ2 Ｍｇ」と書く。）を用いた。
まず、ＧａＮ基板１００を１０８０℃、水素雰囲気中で加熱してクリーニングを行い、ＧａＮ基板１００表面の付着物を除去した。その後、基板温度を１０２０℃にして、ＭＯＣＶＤ法によって、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアガスと、不純物ガスとしてシランガス、キャリアガスとして水素ガスとを流しながら、Ｓｉ濃度が４．５×１０18／ｃｍ3 のＧａＮよりなるｎ形コンタクト層１０１を厚さ２μｍに形成した（図２（ａ））。ｎ型コンタクト層１０１の貫通転位密度は、厚さ１μｍ以上において、５×１０6 ／ｃｍ2 以下であった。
次に、以下のようにしてＥＳＤ層１０２を形成した。まず、ｎ型コンタクト層１０１上に、ＭＯＣＶＤ法によって厚さ２００〜１０００ｎｍ、Ｓｉ濃度１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮである第１ＥＳＤ層１１０を形成した。成長温度は９００℃以上とし、ピット密度の低い良質な結晶が得られるようにした。成長温度は１０００℃以上とすると、さらに良質な結晶となり望ましい。
次に、第１ＥＳＤ層１１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって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ｎ−ＧａＮである第２ＥＳＤ層１１１を形成した。成長温度は８００〜９５０℃とした。次に、第２ＥＳＤ層１１１の上に、ＭＯＣＶＤ法によって厚さ５０〜２００ｎｍのノンドープＧａＮである第３ＥＳＤ層１１２を形成した。成長温度は８００〜９５０℃とし、キャリア濃度５×１０17／ｃｍ3 以下の結晶が得られるようにした。
次に、第３ＥＳＤ層１１２上に、ＭＯＣＶＤ法によって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ｎ−ＧａＮである第４ＥＳＤ層１１３を形成した。成長温度は８００〜９５０℃とした。以上の工程により、ｎ型コンタクト層１０１上にＥＳＤ層１０２を形成した（図２（ｂ））。
次に、ＥＳＤ層１０２上に、基板温度を９５０℃にして、Ｓｉ濃度１．０×１０18／ｃｍ3 のＳｉドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎから成る第２ｎ型クラッド層１３２を厚さ１４０ｎｍに形成した。次に、基板温度を９５０℃に保持にして、第２ｎ型クラッド層１３２の上に、Ｓｉ濃度２．０×１０19／ｃｍ3 のＳｉドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎから成る第１ｎ型クラッド層１３１を厚さ１０ｎｍに形成した。
次に、第１ｎ型クラッド層１３１の上に、発光層１０４を形成した。発光層１０４の各層であるＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１、Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の４層の周期構造を８回繰り返して形成した。Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１４１の成長温度は８００〜９５０℃の範囲の任意の温度とし、Ｉｎ0 .2Ｇａ0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３及びＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１４４の成長温度は、７７０℃とした。勿論、各層の成長において、各層を成長させる基板温度は、一定の７７０℃にしても良い。それぞれの原料ガスを供給して、発光層１０４を形成した。
次に、発光層１０４の上に、ｐ型クラッド層１０６を形成した。基板温度を８５５℃にして、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎから成るｐ型クラッド層１０６を厚さ３３ｎｍに形成した。
次に、基板温度を１０００℃にして、ＴＭＧ、アンモニア、ＣＰ2 Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０20cm-3ドープしたｐ形ＧａＮよりなる厚さ５０ｎｍのｐ形コンタクト層１０７を形成した。このようにして、図２（ｃ）に示す素子構造が形成された。ｐ形コンタクト層１０７のＭｇ濃度は、１×１０19〜１×１０21cm-3の範囲で使用可能である。また、ｐ形コンタクト層１０７の厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲としても良い。
次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１０７の表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１０１に達する溝を形成した。そして、ｐ型コンタクト層１０７の表面にＩＴＯから成るｐ電極１０８を、ドライエッチングによって溝底面に露出したｎ型コンタクト層１０１上にＶ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ（ｎ型コンタクト層１０１側からこの順に積層させた構造）からなるｎ電極１３０を形成した。また、ＧａＮ基板１００の裏面１００ｂにＡｌから成る反射膜９０を形成し、ｐ電極１０８の角部に、Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌ（ｐ電極１０８の側からこの順に積層させた構造）から成るパッド電極１０９を形成した。以上によって図１に示す発光素子１が製造された。
以上の方法により、第１ｎ型クラッド層１３１のＳｉ濃度を、それぞれ、０／ｃｍ3 （シランを流さずに製造）、２×１０18／ｃｍ3 、４×１０18／ｃｍ3 、８×１０18／ｃｍ3 、１．２×１０19／ｃｍ3 、１．４×１０19／ｃｍ3 、１．６×１０19／ｃｍ3 、１．８×１０19／ｃｍ3 、２．０×１０19／ｃｍ3 、２．２×１０19／ｃｍ3 、２．４×１０19／ｃｍ3 とした発光素子を、製造した。そして、発光強度を測定した。
その結果を、図３に示す。なお、図３の横軸は対数であるので、Ｓｉを添加しなかった場合（Ｓｉ濃度０の場合）は、プロットできないが、このときの、発光出力は、０．７４（ａ．ｕ．）であった。測定点であるＳｉ濃度が１．２×１０19／ｃｍ3 以上、２．４×１０19／ｃｍ3 以下の場合には発光出力は０．９７（ａ．ｕ．）以上と、Ｓｉ濃度が４．０×１０18／ｃｍ3 以下の場合の発光出力０．８４（ａ．ｕ．）に比べて発光出力が、１５％以上、大きくなっていることが分かる。Ｓｉ濃度が１．４×１０19／ｃｍ3 の時には、発光出力は１（ａ．ｕ．）と最大となり、Ｓｉ濃度が１．４×１０19／ｃｍ3 以上の場合に、発光出力はほぼ１（０．９９（ａ．ｕ．））で、一定であることが分かる。したがって、発光出力が飽和する開始Ｓｉ濃度は、図３の特性から、測定点ではないが、Ｓｉ濃度が１．０×１０19／ｃｍ3 であることが理解される。したがって、Ｓｉ濃度が１．０×１０19／ｃｍ3 の場合も発光出力の増大に効果があることが理解される。また、上限値に関しても、Ｓｉ濃度が、２．０×１０19／ｃｍ3 、２．２×１０19／ｃｍ3 、２．４×１０19／ｃｍ3 と増加しても、発光出力は減少していないことから、２．５×１０19／ｃｍ3 の場合も発光出力は１（０．９９（ａ．ｕ．）が得られることが容易に理解でき、発光出力の向上に効果があることが理解される。したがって、第１ｎ型クラッド層１３１のＳｉ濃度は、図３の特性から、Ｓｉ濃度が１．０×１０19／ｃｍ3 以上、２．５×１０19／ｃｍ3 以下の範囲において、発光出力の向上が見られることが理解される。
Ｓｉ濃度が２．０×１０19／ｃｍ3 を越えると、逆電流阻止特性が多少劣化した。したがって、第１ｎ型コンタクト層１３１のＳｉ濃度は、逆電流阻止特性の多少の劣化を考慮すると、測定点である１．２×１０19／ｃｍ3 以上、２．０×１０19／ｃｍ3 以下が望ましい。また、図３から得られる特性と逆電流阻止特性の多少の劣化を考慮した場合には、Ｓｉ濃度は、１．０×１０19／ｃｍ3 以上、２．０×１０19／ｃｍ3 以下が望ましいことが分かる。
また、比較のために、基板としてサファイアを用いて、サファイア基板の上にバッファ層を形成した後、図１のｎ型コンタクト層１０１からｐ型コンタクト層１０７まで成長させた発光素子を製造した。ただし、この場合には、ｎ型クラッド層１０３は２層構造ではなく、厚さ１５０ｎｍの単層とした。すなわち、厚さ１０ｎｍの第１ｎ型クラッド層１３１と厚さ１４０ｎｍの第２ｎ型クラッド層１３２の代わりに、厚さ１５０ｎｍの単層のｎ型クラッド層１０３とした。単層のｎ型クラッド層のＳｉ濃度を、４．５×１０17／ｃｍ3 、６．５×１０17／ｃｍ3 、８．０×１０17／ｃｍ3 、１．０×１０18／ｃｍ3 とした。各発光素子の出力特性を測定した。その結果を図４に示す。ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、６．５×１０17／ｃｍ3 の時に、発光出力が最大となり、Ｓｉ濃度がその値よりも小さくても、大きくても、発光出力は低下することが分かった。
このことから、本願発明のｎ型クラッド層を２層構造として、第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度を第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、第１ｎ型クラッド層の厚さを第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くすることで、発光出力に関して優位な効果があることが理解される。
実施例１の発光素子１は、フェースアップ型の発光素子とした。実施例２では、フェースダウン型の発光素子２とした。実施例１と同一機能を果たす要素については、同一の符号が付されている。図５において、図１におけるＥＳＤ層１０２、発光層１０４を構成する複数の層は、省略されている。ｐ型コンタクト層１０７の全面に形成されるｐ電極１１８はｐ型コンタクト層１０７側から積層したＮｉ／Ａｌ／Ａｇ／Ａｌから成る反射膜とした。ｐ電極１１８はフレームに発光素子２を接合するランドパッドを兼ねている。また、ｎ電極１３０は実施例１と同一の金属積層体であり、ｐ電極１１８の上面ととｎ電極１３０の上面とは同一面である。ＧａＮ基板１００の素子層が形成されていない側の面１００ａが光出力面となる。本発明に係る第１ｎ型クラッド層１３１、第２ｎ型クラッド層１３２の構成（Ｓｉ濃度、厚さ）は、実施例１と同一である。このように、本願発明は、フェースダウン型（フリップチップ型）の発光素子とすることも可能である。
図６の実施例３の発光素子３は、対向電極型の発光素子である。実施例１と同一機能を果たす要素には図１と同一符号が付されている。ＧａＮ基板１００は、Ｓｉが４×１０18／ｃｍ3 程度に添加されたｎ型ＧａＮである。ＧａＮ基板１００の裏面１００ｂの全面にｎ電極１４０が形成されている。ｎ電極１４０は、ＧａＮ基板１００の裏面１００ｂの側から順に積層されたＡｌ／Ａｇ／Ａｌ金属膜である。このｎ電極１４０は光の反射膜を兼用している。ｐ型コンタクト層１０７の上面の全面には、ＩＴＯから成るｐ電極１２８が形成されており、そのｐ電極の角部にパッド電極１０９が形成されている。この発光素子３は、ｐ型コンタクト層１０７の側から光が出力される。
なお、ｐ型コンタクト層１０７の上に、光反射膜を形成し、ＧａＮ基板１００の素子層の形成されていない面１００ｂに透光性のｎ電極を形成して、ＧａＮ基板１００の側から光を出力するようにしても良い。
［変形例］
上記の全実施例において、第１ｎ型クラッド層１３１と発光層１０４とは直接接合させている。また、全実施例において、第１ｎ型クラッド層１３１と第２ｎ型クラッド層１３２は、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎとしているが、他の組成比のＡｌＧａＮであっても、発光層１０４の井戸層よりバンドギャップが大きいならば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮであっても良い。また、第１ｎ型クラッド層１３１と第２ｎ型クラッド層１３２とは、同一材料の半導体としているが、異なる組成、同一組成で異なる組成比の半導体としても良い。例えば、第２ｎ型クラッド層１３２を、ＡｌＧａＮ又はＧａＮとして、第１ｎ型クラッド層１３１を高い電子濃度が得られ易いＩｎＧａＮとしても良い。また、全実施例において、ＥＳＤ層１０２はなくとも良い。ｐ型クラッド層１０６は複数の層の周期構造としても良い。例えば、任意組成比のＡｌＧａＮと任意組成比のＩｎＧａＮとの超格子、ＡｌＧａＮとＧａＮとの超格子、ＧａＮとＩｎＧａＮとの超格子であっても良い。ｐ型クラッド層１０６のＭｇ濃度は、５×１０19／ｃｍ3 〜５×１０20／ｃｍ3 とすることができる。
図１に示す実施例１の発光素子１、図５に示す発光素子２は、ＧａＮ基板１００に代えてサファイア基板を用いた場合に、発光層１０４のｎ型クラッド層と反対側に位置する上面（ｐ型クラッド層１０６との界面）におけるピット密度が５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下、ピットの直径が１００ｎｍ以下と低い場合にも、適用することができる。発光層の上面において、ピット密度、ピット直径が上記の値以下の場合には、発光出力が低下することが推定される。よって、本願の特徴である、ｎ型クラッド層を少なくとも２層の構造として、第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、第１ｎ型クラッド層の厚さを、第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くした構成により、発光出力を向上させることができる。
本発明は、高い出力のIII 族窒化物半導体発光素子に用いることができる。
１００：ＧａＮ基板
１０１：ｎ型コンタクト層
１０２：ＥＳＤ層
１０３：ｎ型クラッド層
１３１：第１ｎ型クラッド層
１３２：第２ｎ型クラッド層
１０４：発光層
１０６：ｐ型クラッド層
１０７：ｐ型コンタクト層
１０８：ｐ電極
１３０：ｎ電極

Claims (2)

  1. III 族窒化物半導体から成る基板の面上に、複数のIII 族窒化物半導体から成る層を有した発光素子において、
    前記発光素子は、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層と、発光層と、前記発光層と前記ｎ型コンタクト層との間に形成されたｎ型クラッド層とを有し、
    前記ｎ型クラッド層は、前記発光層に対して近い側に位置し前記発光層と接合する単層の第１ｎ型クラッド層と、前記第１ｎ型クラッド層よりも前記発光層に対して遠い側に位置し前記第１ｎ型クラッド層と接合する単層の第２ｎ型クラッド層との少なくとも２層の構造を有し、
    前記第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、前記第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、前記第１ｎ型クラッド層の厚さを、前記第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くし、
    前記第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、１．２×１０ 19 ／ｃｍ 3 以上、２．５×１０ 19 ／ｃｍ 3 以下であり、
    前記第１ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、
    前記発光層の前記ｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピット密度は、５．０×１０ 6 ／ｃｍ 2 以下であり、
    前記発光層の前記ｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピットの直径は１００ｎｍ以下であり、
    前記第２ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度は、１．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以上、５．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以下であり、
    前記第２ｎ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、
    発光出力を、前記第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度が１．０×１０ 19 ／ｃｍ 3 より少ない場合に比べて大きくした
    ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
  2. III 族窒化物半導体と異なる異種基板の面上に、複数のIII 族窒化物半導体から成る層を有した発光素子において、
    前記発光素子は、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層と、発光層と、前記発光層と前記ｎ型コンタクト層との間に形成されたｎ型クラッド層とを有し、
    前記発光層の前記ｎ型クラッド層と反対側に位置する上面におけるピット密度は５．０×１０6 ／ｃｍ2 以下、ピットの直径は１００ｎｍ以下であり、
    前記ｎ型クラッド層は、前記発光層に対して近い側に位置し前記発光層と接合する単層の第１ｎ型クラッド層と、前記第１ｎ型クラッド層よりも前記発光層に対して遠い側に位置し前記第１ｎ型クラッド層に接合する単層の第２ｎ型クラッド層との少なくとも２層の構造を有し、
    前記第１ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度を、前記第２ｎ型クラッド層のＳｉ濃度よりも大きく、前記第１ｎ型クラッド層の厚さを、前記第２ｎ型クラッド層の厚さよりも薄くし、
    前記第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度は、１．２×１０ 19 ／ｃｍ 3 以上、２．５×１０ 19 ／ｃｍ 3 以下であり、
    前記第１ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、
    前記第２ｎ型クラッド層におけるＳｉ濃度は、１．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以上、５．０×１０ 18 ／ｃｍ 3 以下であり、
    前記第２ｎ型クラッド層の厚さは、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、
    発光出力を、前記第１ｎ型クラッド層のＳｉ濃度が１．０×１０ 19 ／ｃｍ 3 より少ない場合に比べて大きくした
    ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
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