JP6814902B1 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子の寿命を向上させる。【解決手段】半導体発光素子１０は、ｎ型クラッド層２４と、活性層２６と、ｐ型クラッド層２８と、第１ｐ型コンタクト層３６と、第２ｐ型コンタクト層３８と、ｐ側電極３２と、を備える。ｐ型クラッド層２８のＡｌＮ比率は５０％以上である。第１ｐ型コンタクト層３６は、５％以下のＡｌＮ比率を有し、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、５００ｎｍより大きい厚さを有する。第２ｐ型コンタクト層３８は、５％以下のＡｌＮ比率を有し、８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有する。ｐ側電極３２は、第２ｐ型コンタクト層に対するコンタクト抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ２以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力する半導体発光素子は、基板上に積層されるＡｌＧａＮ系のｎ型クラッド層、活性層、及びｐ型クラッド層を有する。ｐ側電極のコンタクト抵抗を下げるため、ｐ側電極とｐ型クラッド層の間にはｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層が設けられる。ｐ型ＧａＮは、深紫外光の吸収係数が高いため、光取り出し効率の観点から薄く形成することが好ましいとされる。ｐ型コンタクト層の厚さは、例えば３００ｎｍ以下または５０ｎｍ以下である（特許文献１，２参照）
特開２０１４−９６５３９ 国際公開第２０１５／０２９２８１号
本発明者らの知見によれば、ｐ型コンタクト層の厚みを小さくすると、半導体発光素子の寿命が低下する。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子の寿命を向上させることを目的とする。
本発明のある態様の半導体発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられ、波長２４０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の深紫外光を発するようにＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層と、活性層上に設けられ、ＡｌＮ比率が５０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料から構成されるｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層上に接触して設けられ、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、５００ｎｍより大きい厚さを有する第１ｐ型コンタクト層と、第１ｐ型コンタクト層上に接触して設けられ、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有する第２ｐ型コンタクト層と、第２ｐ型コンタクト層上に接触して設けられ、第２ｐ型コンタクト層に対するコンタクト抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ２以下であるｐ側電極と、を備える。
この態様によると、ＡｌＮ比率が５％以下である低ＡｌＮ組成の第１および第２ｐ型コンタクト層を設けることで、ｐ側電極のコンタクト抵抗を下げることができ、半導体発光素子の動作電圧を低減できる。なお、ＡｌＮ比率が５０％以下である高ＡｌＮ組成のｐ型クラッド層上に第１ｐ型コンタクト層を直接形成すると、大きなＡｌＮ比率差に起因して格子不整合が大きくなり、ｐ型クラッド層上に第１ｐ型コンタクト層が島状に成長していく。このとき、第１ｐ型コンタクト層の厚みが小さいと、第１ｐ型コンタクト層の上面の平坦性が低下して素子寿命が低下する。本発明者らの知見によれば、第１ｐ型コンタクト層の厚みを５００ｎｍより大きくすることで、第１ｐ型コンタクト層の上面の平坦性を高め、素子寿命を大幅に向上させることができる。また、ｐ側電極と接触する第２ｐ型コンタクト層が８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有することで、ｐ側電極のコンタクト抵抗を１×１０−２Ω・ｃｍ２以下にできる。一方、第１ｐ型コンタクト層が８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有することで、第１ｐ型コンタクト層におけるキャリア移動度を高めることができ、半導体発光素子の動作電圧を低減できる。
第２ｐ型コンタクト層は、１×１０２０／ｃｍ３以上２×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有してもよい。
第２ｐ型コンタクト層は、１１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有してもよい。
第１ｐ型コンタクト層の厚さは、７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。
ｐ型クラッド層は、ＡｌＮ比率が６０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されてもよい。
第１ｐ型コンタクト層および第２ｐ型コンタクト層は、ｐ型ＧａＮから構成されてもよい。
本発明の別の態様は、半導体発光素子の製造方法である。この方法は、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型半導体層上に、深紫外光を発するようにＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層を形成する工程と、活性層上に、ＡｌＮ比率が５０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料から構成されるｐ型クラッド層を形成する工程と、ｐ型クラッド層上に接触するように、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、５００ｎｍより大きい厚さを有する第１ｐ型コンタクト層を形成する工程と、第１ｐ型コンタクト層上に接触するように、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有する第２ｐ型コンタクト層を形成する工程と、第２ｐ型コンタクト層上に接触するように、第２ｐ型コンタクト層に対するコンタクト抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ２以下であるｐ側電極を形成する工程と、を備える。
この態様によれば、上記態様と同様の効果を奏することができる。
第２ｐ型コンタクト層の成長レートは、第１ｐ型コンタクト層の成長レートの２０％以上６０％以下であってもよい。
本発明によれば、半導体発光素子の寿命を向上できる。
実施の形態に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 実施例に係る半導体発光素子の発光強度の経時変化を示すグラフである。 実施例に係る半導体発光素子の寿命と第１ｐ型コンタクト層の厚さの関係を示すグラフである。 ｐ側電極のコンタクト抵抗と第２ｐ型コンタクト層のドーパント濃度の関係を示すグラフである。 ｐ側電極のコンタクト抵抗と第２ｐ型コンタクト層の厚さの関係を示すグラフである。 ｐ側電極のコンタクト抵抗と第２ｐ型コンタクト層のドーパント濃度および厚さの関係を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。
本実施の形態は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成される半導体発光素子であり、いわゆるＤＵＶ−ＬＥＤ（Deep UltraViolet-Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料が用いられる。本実施の形態では、特に、中心波長λが約２４０ｎｍ〜３２０ｎｍの深紫外光を発する場合について示す。
本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、少なくとも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）の組成で表すことができ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを含む。本明細書の「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、ＡｌＮおよびＧａＮのそれぞれのモル分率が１％以上であり、好ましくは５％以上、１０％以上または２０％以上である。
また、ＡｌＮを含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、ＧａＮやＩｎＧａＮが含まれる。同様に、ＧａＮを含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、ＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれる。
図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、基板２０と、ベース層２２と、ｎ型クラッド層２４と、活性層２６と、ｐ型クラッド層２８と、ｐ型コンタクト層３０と、ｐ側電極３２と、ｎ側電極３４とを備える。
図１において、矢印Ｚで示される方向を「上下方向」または「厚み方向」ということがある。また、基板２０から見て、基板２０から離れる方向を上側、基板２０に向かう方向を下側ということがある。
基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する基板であり、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａとは反対側の第２主面２０ｂとを有する。第１主面２０ａは、ベース層２２からｐ型コンタクト層３０までの各層を成長させるための結晶成長面となる一主面である。第１主面２０ａには、深さおよびピッチがサブミクロン（１μｍ以下）である微細な凹凸パターンが形成されている。このような基板２０は、パターン化サファイア基板（ＰＳＳ；Patterned Sapphire Substrate）とも呼ばれる。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取り出し面となる一主面である。なお、基板２０は、ＡｌＮ基板であってもよいし、ＡｌＧａＮ基板であってもよい。基板２０は、第１主面２０ａがパターン化されていない平坦面で構成される通常の基板であってもよい。
ベース層２２は、基板２０の第１主面２０ａの上に設けられる。ベース層２２は、ｎ型クラッド層２４を形成するための下地層（テンプレート層）である。ベース層２２は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ；High Temperature-AlN）層である。ベース層２２は、ＡｌＮ層上に形成されるアンドープのＡｌＧａＮ層を含んでもよい。基板２０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、ベース層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層のみで構成されてもよい。つまり、ベース層２２は、アンドープのＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方を含む。
ｎ型クラッド層２４は、ベース層２２の上に設けられる。ｎ型クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｎ型の不純物としてＳｉがドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、ＡｌＮのモル分率が４０％以上または５０％以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光の波長よりも大きいバンドギャップを有し、例えば、バンドギャップが３．８５ｅＶ以上となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、ＡｌＮのモル分率が８０％以下、つまり、バンドギャップが５．５ｅＶ以下となるように形成されることが好ましく、ＡｌＮのモル分率が７０％以下（つまり、バンドギャップが５．２ｅＶ以下）となるように形成されることがより望ましい。ｎ型クラッド層２４は、１μｍ〜３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有する。
ｎ型クラッド層２４は、不純物であるＳｉの濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下となるように形成される。ｎ型クラッド層２４は、Ｓｉ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上３×１０１９／ｃｍ３以下となるように形成されることが好ましく、７×１０１８／ｃｍ３以上２×１０１９／ｃｍ３以下となるように形成されることが好ましい。ある実施例において、ｎ型クラッド層２４のＳｉ濃度は、１×１０１９／ｃｍ３前後であり、８×１０１８／ｃｍ３以上１．５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲である。
ｎ型クラッド層２４は、第１上面２４ａと、第２上面２４ｂとを有する。第１上面２４ａは、活性層２６が形成される部分である。第２上面２４ｂは、活性層２６が形成されずにｎ側電極３４が形成される部分である。
活性層２６は、ｎ型クラッド層２４の第１上面２４ａの上に設けられる。活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で構成され、ｎ型クラッド層２４とｐ型クラッド層２８の間に挟まれてダブルへテロ接合構造を形成する。活性層２６は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、波長３２０ｎｍ以下の深紫外光を出力できるようにＡｌＮ組成比が選択される。
活性層２６は、例えば、単層または多層の量子井戸構造を有し、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される障壁層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層との積層体で構成される。活性層２６は、例えば、ｎ型クラッド層２４と直接接触する第１障壁層と、第１障壁層の上に設けられる第１井戸層とを含む。第１障壁層と第１井戸層の間に、井戸層および障壁層の一以上のペアが追加的に設けられてもよい。障壁層および井戸層は、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有する。
活性層２６は、ｐ型クラッド層２８と接触する電子ブロック層をさらに含んでもよい。電子ブロック層は、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成される。電子ブロック層は、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。
ｐ型クラッド層２８は、活性層２６の上に形成される。ｐ型クラッド層２８は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層２８は、ｐ型コンタクト層３０に比べてＡｌＮ比率が高い高ＡｌＮ組成層（または、第１ＡｌＮ組成層ともいう）である。ｐ型クラッド層２８は、ＡｌＮのモル分率が５０％以上であり、好ましくは、６０％以上または７０％以上となるように形成される。ｐ型クラッド層２８は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、１５ｎｍ〜７０ｎｍ程度の厚さを有する。
ｐ型コンタクト層３０は、ｐ型クラッド層２８の上に形成され、ｐ型クラッド層２８に直接接触する。ｐ型コンタクト層３０は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層またはｐ型のＧａＮ系半導体材料層である。ｐ型クラッド層２８に比べてＡｌＮ比率が低い低ＡｌＮ組成層（または、第２ＡｌＮ組成層ともいう）である。ｐ型コンタクト層３０のＡｌＮ比率とｐ型クラッド層２８のＡｌＮ比率の差は５０％以上であり、好ましくは６０％以上である。ｐ型コンタクト層３０は、ｐ側電極３２と良好なオーミック接触を得るためにＡｌＮ比率が２０％以下となるよう構成され、好ましくは、ＡｌＮ比率が１０％以下、５％以下または０％となるように形成される。つまり、ｐ型コンタクト層３０は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ層であってもよい。その結果、ｐ型コンタクト層３０は、活性層２６が発する深紫外光を吸収する。
ｐ型コンタクト層３０は、第１ｐ型コンタクト層３６と、第２ｐ型コンタクト層３８とを含む。第１ｐ型コンタクト層３６は、ｐ型クラッド層２８と直接接触する。第１ｐ型コンタクト層３６は、ＡｌＮ比率が２０％以下となるよう構成され、好ましくは、ＡｌＮ比率が１０％以下、５％以下または０％となるように形成される。第１ｐ型コンタクト層３６は、５００ｎｍを超える厚さを有し、例えば５２０ｎｍ以上の厚さを有する。第１ｐ型コンタクト層３６は、好ましくは５９０ｎｍ以上の厚さを有し、例えば７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有する。第１ｐ型コンタクト層３６のｐ型ドーパント濃度は、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下の範囲であり、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上２×１０１９／ｃｍ３以下の範囲である。第１ｐ型コンタクト層３６のｐ型ドーパント濃度をこのような値にすることで、第１ｐ型コンタクト層３６におけるキャリア移動度を高めることができ、厚みの大きい第１ｐ型コンタクト層３６のバルク抵抗を低減できる。
第２ｐ型コンタクト層３８は、第１ｐ型コンタクト層３６の上に設けられ、第１ｐ型コンタクト層３６と直接接触する。第２ｐ型コンタクト層３８は、ＡｌＮ比率が２０％以下となるよう構成され、好ましくは、ＡｌＮ比率が１０％以下、５％以下または０％となるように形成される。第２ｐ型コンタクト層３８のＡｌＮ比率は、第１ｐ型コンタクト層３６のＡｌＮ比率と同じでもよいし、第１ｐ型コンタクト層３６のＡｌＮ比率より低くてもよい。例えば、第１ｐ型コンタクト層３６のＡｌＮ比率が０％を超えて１０％以下となる場合、第２ｐ型コンタクト層３８のＡｌＮ比率が０％であってもよい。第２ｐ型コンタクト層３８は、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有し、好ましくは９ｎｍ以上２５ｎｍ以下の厚さを有し、より好ましくは１１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有する。第２ｐ型コンタクト層３８は、１６ｎｍ程度の厚さを有してもよい。第２ｐ型コンタクト層３８のｐ型ドーパント濃度は、第１ｐ型コンタクト層３６のｐ型ドーパント濃度よりも大きく、第１ｐ型コンタクト層３６のｐ型ドーパント濃度の５倍〜２０倍程度である。第２ｐ型コンタクト層３８のｐ型ドーパント濃度は、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上２×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有する。第２ｐ型コンタクト層３８のｐ型ドーパント濃度をこのような値にすることで、ｐ側電極３２のコンタクト抵抗を１×１０−２Ω・ｃｍ２以下にでき、より好ましくは１×１０−３Ω・ｃｍ２以下にできる。
ｐ側電極３２は、ｐ型コンタクト層３０の上に設けられ、ｐ型コンタクト層３０とオーミック接触する。より具体的には、ｐ側電極３２は、第２ｐ型コンタクト層３８と直接接触する。ｐ側電極３２は、ｐ型コンタクト層３０に対するコンタクト抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ２以下となるように構成される。ｐ側電極３２の材料は特に問わないが、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電性酸化物、ロジウム（Ｒｈ）などの白金族金属、または、ニッケルと金の積層構造（Ｎｉ／Ａｕ）から構成される。
ｎ側電極３４は、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂの上に設けられる。ｎ側電極３４は、ｎ型クラッド層２４とオーミック接触が可能であり、かつ、活性層２６が発する深紫外光に対する反射率が高い材料で構成される。ｎ側電極３４の材料は特に問わないが、例えば、ｎ型クラッド層２４に直接接触するＴｉ層、および、Ｔｉ層に直接接触するＡｌ層から構成される。
つづいて、図２および図３を参照しながら、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。まず、図２に示されるように、基板２０の第１主面２０ａの上にベース層２２、ｎ型クラッド層２４、活性層２６、ｐ型クラッド層２８、第１ｐ型コンタクト層３６および第２ｐ型コンタクト層３８が順に形成される。ベース層２２、ｎ型クラッド層２４、活性層２６、第１ｐ型コンタクト層３６および第２ｐ型コンタクト層３８は、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。
第１ｐ型コンタクト層３６は、ｐ型クラッド層２８の上に直接形成される。ｐ型クラッド層２８のＡｌＮ比率と第１ｐ型コンタクト層３６のＡｌＮ比率の差は５０％以上であるため、ｐ型クラッド層２８と第１ｐ型コンタクト層３６の界面における格子不整合差が非常に大きい。そのため、第１ｐ型コンタクト層３６は、ｐ型クラッド層２８の上に島状に成長（いわゆるアイランド成長）していく。アイランド成長となる場合、結晶成長の起点となる箇所の厚みが相対的に大きく、起点から離れた箇所の厚みが相対的に小さくなるため、結晶成長した半導体層の上面に凹凸構造が残って平坦性が低くなりやすい。本発明者らの知見によれば、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さを大きくすればするほど、ｐ型コンタクト層３０の上面３０ａの平坦性が改善し、特に５００ｎｍを超える厚さまで第１ｐ型コンタクト層３６を成長させることで、ｐ型コンタクト層３０の上面３０ａの平坦性を顕著に改善できる。
第２ｐ型コンタクト層３８は、第１ｐ型コンタクト層３６の上に直接形成される。第２ｐ型コンタクト層３８は、第１ｐ型コンタクト層３６に比べてｐ型ドーパント濃度、具体的にはＭｇのドーパント濃度が高い。第２ｐ型コンタクト層３８の成長レートは、第１ｐ型コンタクト層３６の成長レートよりも低く、第１ｐ型コンタクト層３６の成長レートの２０％以上６０％以下である。例えば、第１ｐ型コンタクト層３６の成長レートが１μｍ／分〜１．３μｍ／分程度であるのに対し、第２ｐ型コンタクト層３８の成長レートは０．３μｍ／分〜０．６μｍ／分程度である。第２ｐ型コンタクト層３８の成長レートの下げることで、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度を好適に高めることができる。例えば、ｐ型ドーパントの原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）の供給レートを一定にしたまま、ＡｌＧａＮ系半導体材料の原料となるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の供給レートを下げることで、第２ｐ型コンタクト層３８の成長レートを下げてドーパント濃度を高めることができる。
次に、図３に示すように、ｐ型コンタクト層３０の上の一部領域にマスク４０を形成し、マスク４０の上からドライエッチングを行う。マスク４０は、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成できる。ドライエッチングにより、マスク４０が形成されていない領域においてｐ型コンタクト層３０、ｐ型クラッド層２８および活性層２６が除去される。ドライエッチングは、マスク４０が形成されていない領域においてｎ型クラッド層２４が露出するまで実行される。これにより、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂが形成される。ドライエッチングの実行後、マスク４０が除去される。
その後、ｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂにｎ側電極３４が形成され、ｎ側電極３４に対してアニール処理がなされる。また、ｐ型コンタクト層３０の上面３０ａにｐ側電極３２が形成され、ｐ側電極３２に対してアニール処理がなされる。なお、ｐ側電極３２およびｎ側電極３４の形成順序やアニール処理のタイミングは特に限定されない。例えば、ｐ側電極３２を先に形成し、その後にｎ側電極３４を形成してもよい。これにより、図１に示される半導体発光素子１０ができあがる。
本実施の形態によれば、ｐ型コンタクト層３０の厚さを大きくすることで、ｐ型コンタクト層３０の上面３０ａの平坦性を向上できる。平坦性の高い上面３０ａの上にｐ側電極３２を形成することで、ｐ側電極３２を通じて活性層２６に向かう電流密度の面内均一性を高めることができる。言いかえれば、ｐ型コンタクト層３０とｐ側電極３２の界面に凹凸構造があることで局所的に電流が集中し、電流密度が面内で不均一となることを防止できる。これにより、半導体発光素子１０の一部箇所に過度な電流が流れることで素子寿命が低下する影響を防止できる。
従来、発光波長が３２０ｎｍ以下の深紫外光用の半導体発光素子では、ｐ型コンタクト層３０による深紫外光の吸収を避けるため、ｐ型コンタクト層３０の厚さをできるだけ小さくすることが好ましいとされてきた。具体的には、ｐ型ＧａＮ層の厚さを３００ｎｍ以下や５０ｎｍ以下の厚さにすることが好ましいとされていた。一方、本発明者らは、ｐ型コンタクト層３０の厚さをあえて大きくし、５００ｎｍを超える厚さにすることで、ｐ型コンタクト層３０の上面３０ａの平坦性を大きく向上できることを見出した。本実施の形態によれば、ｐ型コンタクト層３０の厚さを５００ｎｍより大きくすることで、以下に説明する顕著な効果を実現できる。
図４は、実施例に係る半導体発光素子の発光強度の経時変化を示すグラフである。図４は、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さを１６ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍにしたときの半導体発光素子１０の発光強度を示している。実施例では、活性層２６の発光波長が２８０ｎｍ〜２８５ｎｍ程度であり、ｐ型クラッド層２８のＡｌＮ比率が７５％であり、ｐ型コンタクト層３０のＡｌＮ比率が０％である。ｎ型クラッド層２４のＡｌＮ比率は５５％である。図４では、点灯開始時の発光強度を１としている。
図４に示されるように、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが小さいほど、発光強度の低下が速いことが分かる。第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが１６ｎｍである場合の発光強度は、２４時間後に７５％まで低下し、４８時間後に７０％まで低下する。第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが３００ｎｍである場合の発光強度は、２００時間後に８１％まで低下し、９５０時間後に７０％まで低下する。一方、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが５００ｎｍである場合の発光強度は、２００時間後において９０％以上であり、１０００時間後において８０％以上である。同様に、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが７００ｎｍである場合の発光強度は、２００時間後において９０％以上であり、１０００時間後において８５％以上である。また、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが１０００ｎｍである場合の発光強度は、２００時間後において９０％程度であり、１０００時間後において８５％程度である。このように、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さを大きくすることで、発光強度の低下を遅くすることができ、一定以上の発光強度を維持できる時間、つまり素子寿命を長くできる。
図５は、実施例に係る半導体発光素子１０の寿命と第１ｐ型コンタクト層３６の厚さの関係を示すグラフである。図５では、半導体発光素子１０の発光強度が７０％まで低下する時間を寿命としている。図示されるように、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが大きくなるにつれて素子寿命も延びていき、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが５００ｎｍを超えると素子寿命が顕著に延びることが分かる。具体的には、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが５００ｎｍを超えると、素子寿命が５０００時間を超える。第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが５２０ｎｍの場合の素子寿命は６５００時間であり、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが５５０ｎｍの場合の素子寿命は８０００時間である。また、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが５９０ｎｍ以上になると、素子寿命が１００００時間以上となる。さらに、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であれば、２００００時間以上の素子寿命を実現できる。
なお、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さを１０００ｎｍより大きくすることも可能であり、例えば、ｐ第１ｐ型コンタクト層３６の厚さを１５００ｎｍや２０００ｎｍにしても１万時間以上の好適な素子寿命を実現できる。しかしながら、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さを大きくすると、図２の工程において第１ｐ型コンタクト層３６を成長させる時間が長くなり、図３の工程において第１ｐ型コンタクト層３６をドライエッチングする時間も長くなる。また、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さが大きい場合、ｐ型コンタクト層３０の上面３０ａの高さとｎ型クラッド層２４の第２上面２４ｂの高さの差が大きくなる。半導体発光素子１０の実装時の不良を低減するためには、ｐ側電極３２とｎ側電極３４の高さを揃える必要があり、ｎ側電極３４の厚さを大きくしなければならない。そうすると、ｎ側電極３４の形成時間や材料費が増加することになる。このような観点から、第１ｐ型コンタクト層３６の厚さは、１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。
また、本実施の形態によれば、第１ｐ型コンタクト層３６および第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度を適切に設定することで、第２ｐ型コンタクト層３８に対するｐ側電極３２のコンタクト抵抗を好適に小さくできる。一般に、ｐ型コンタクト層３０のドーパント濃度が高いほど、ｐ側電極３２のコンタクト抵抗が小さくなる傾向にある。しかしながら、ｐ型コンタクト層３０のドーパント濃度が高すぎると、ｐ型ドーパントの活性化率の低下によりキャリア（ホール）として有効に機能しなくなる割合が増え、ドーピングが過剰となる結果としてｐ型コンタクト層３０におけるキャリア移動度が下がる傾向にある。本実施の形態によれば、厚みの大きい第１ｐ型コンタクト層３６のドーパント濃度を適正な範囲内とし、第１ｐ型コンタクト層３６への過剰なドーピングを避けることで、ｐ型コンタクト層３０の全体のバルク抵抗を低減できる。また、第１ｐ型コンタクト層３６よりもドーパント濃度の高い第２ｐ型コンタクト層３８の厚みを小さくすることで、ｐ型コンタクト層３０の全体のバルク抵抗の増大を抑制しつつ、ｐ側電極３２のコンタクト抵抗を改善できる。
本実施の形態によれば、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度および厚みを適切に設定することで、ｐ型コンタクト層３０のコンタクト抵抗を１×１０−２Ω・ｃｍ２以下にでき、より好ましくは１×１０−３Ω・ｃｍ２以下にできる。第２ｐ型コンタクト層３８の好ましいドーパント濃度および厚みについて、図６〜図８を参照しながら以下に説明する。
図６は、ｐ側電極３２のコンタクト抵抗と第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度の関係を示すグラフである。図６は、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さを１０ｎｍに固定して、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度を５×１０１９／ｃｍ３〜８×１０１９／ｃｍ３の範囲で変化させている。図示されるように、８×１０１９／ｃｍ３〜８×１０２０／ｃｍ３の範囲で１×１０−２Ω・ｃｍ２以下のコンタクト抵抗を実現できる。また、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度が１×１０２０／ｃｍ３〜２×１０２０／ｃｍ３程度となる場合にコンタクト抵抗を１×１０−３Ω・ｃｍ２程度に低減できることが分かる。
図７は、ｐ側電極３２のコンタクト抵抗と第２ｐ型コンタクト層３８の厚さの関係を示すグラフである。図７は、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度を２×１０２０／ｃｍ３に固定して、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さを５ｎｍ〜４０ｎｍの範囲で変化させている。図示されるように、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さが６ｎｍ〜４０ｎｍとなる範囲Ｗ１において、１×１０−２Ω・ｃｍ２以下のコンタクト抵抗を実現できると考えられる。また、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さが９ｎｍ〜２３ｎｍとなる範囲Ｗ２において、１×１０−３Ω・ｃｍ２以下のコンタクト抵抗を実現できると考えられる。
図８は、ｐ側電極３２のコンタクト抵抗と第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度および厚さの関係を示すグラフである。図８は、図６および図７のグラフを組み合わせたものである。図８の曲線Ａは、図７の曲線と同じである。図８の曲線Ｂ〜Ｅは、曲線Ａを平行移動させたものであり、図６の厚さが１０ｎｍであるデータを基準としている。図８のグラフに示される各プロットは、図６または図７に示されるプロットに対応する。
図８に示されるように、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さが８ｎｍ〜２８ｎｍとなる範囲Ｗ３では、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度が８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下であれば、１×１０−２Ω・ｃｍ２以下のコンタクト抵抗を実現できると考えられる。また、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さが９ｎｍ〜２５ｎｍとなる範囲Ｗ４では、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度が８×１０１９／ｃｍ３以上８×１０２０／ｃｍ３以下であれば、１×１０−２Ω・ｃｍ２以下のコンタクト抵抗を実現できると考えられる。さらに、第２ｐ型コンタクト層３８の厚さが１１ｎｍ〜２０ｎｍとなる範囲Ｗ５では、第２ｐ型コンタクト層３８のドーパント濃度が１×１０２０／ｃｍ３以上２×１０２０／ｃｍ３以下であれば、１×１０−３Ω・ｃｍ２以下のより好適なコンタクト抵抗を実現できると考えられる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上述の実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
別の実施の形態では、ｐ型クラッド層２８がＡｌＮ比率の異なる複数のｐ型半導体層で構成されてもよい。ｐ型クラッド層２８は、例えば、ｐ型コンタクト層３０と接触するｐ型第１半導体層と、活性層２６とｐ型第１半導体層の間に設けられるｐ型第２半導体層とを含んでもよい。ｐ型コンタクト層３０と接触するｐ型第１半導体層は、ｐ型コンタクト層３０とのＡｌＮ比率差が５０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される。ｐ型第２半導体層は、ｐ型第１半導体層よりもＡｌＮ比率が高いｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料から構成される。
別の実施の形態では、ｐ型クラッド層２８のＡｌＮ比率が厚み方向に変化するように構成されてもよい。ｐ型クラッド層２８のＡｌＮ比率は、活性層２６からｐ型コンタクト層３０に向かう方向に徐々に小さくなるよう構成されてもよい。この場合、ｐ型クラッド層２８の上面２８ａは、ｐ型コンタクト層３０とのＡｌＮ比率差が５０％以上となるよう構成される。
別の実施の形態では、活性層２６とｐ型クラッド層２８の間に任意のＡｌＧａＮ系半導体材料層またはＡｌＮ系半導体材料層が追加的に設けられてもよい。活性層２６とｐ型クラッド層２８の間に設けられる半導体材料層は、ｐ型層であってもよいし、アンドープ層であってもよい。
１０…半導体発光素子、２４…ｎ型クラッド層、２６…活性層、２８…ｐ型クラッド層、３０…ｐ型コンタクト層、３２…ｐ側電極、３４…ｎ側電極、３６…第１ｐ型コンタクト層、３８…第２ｐ型コンタクト層。

Claims (8)

  1. ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層上に設けられ、波長２４０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の深紫外光を発するようにＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層と、
    前記活性層上に設けられ、ＡｌＮ比率が５０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料から構成されるｐ型クラッド層と、
    前記ｐ型クラッド層上に接触して設けられ、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、５００ｎｍより大きい厚さを有する第１ｐ型コンタクト層と、
    前記第１ｐ型コンタクト層上に接触して設けられ、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有する第２ｐ型コンタクト層と、
    前記第２ｐ型コンタクト層上に接触して設けられ、前記第２ｐ型コンタクト層に対するコンタクト抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ２以下であるｐ側電極と、を備えることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記第２ｐ型コンタクト層は、１×１０２０／ｃｍ３以上２×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記第２ｐ型コンタクト層は、１１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さ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. 前記第１ｐ型コンタクト層の厚さは、７００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  5. 前記ｐ型クラッド層は、ＡｌＮ比率が６０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記第１ｐ型コンタクト層および前記第２ｐ型コンタクト層は、ｐ型ＧａＮから構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  7. ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料から構成されるｎ型半導体層上に、波長２４０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の深紫外光を発するようにＡｌＧａＮ系半導体材料から構成される活性層を形成する工程と、
    前記活性層上に、ＡｌＮ比率が５０％以上であるｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＡｌＮ系半導体材料から構成されるｐ型クラッド層を形成する工程と、
    前記ｐ型クラッド層上に接触するように、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、５００ｎｍより大きい厚さを有する第１ｐ型コンタクト層を形成する工程と、
    前記第１ｐ型コンタクト層上に接触するように、ＡｌＮ比率が５％以下のｐ型ＡｌＧａＮ系半導体材料またはｐ型ＧａＮ系半導体材料から構成され、８×１０１９／ｃｍ３以上４×１０２０／ｃｍ３以下のｐ型ドーパント濃度を有し、８ｎｍ以上２８ｎｍ以下の厚さを有する第２ｐ型コンタクト層を形成する工程と、
    前記第２ｐ型コンタクト層上に接触するように、前記第２ｐ型コンタクト層に対するコンタクト抵抗が１×１０−２Ω・ｃｍ２以下であるｐ側電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記第２ｐ型コンタクト層の成長レートは、前記第１ｐ型コンタクト層の成長レートの２０％以上６０％以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
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