JP7228176B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本明細書の技術分野は、紫外発光するIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。
半導体発光素子においては、発光層の井戸層で電子と正孔とが再結合し、光が放出される。発光効率を向上するためには、一般に、井戸層における電子の濃度および正孔の濃度を上げることが好ましい。
紫外発光するIII 族窒化物半導体発光素子においては、ＡｌＧａＮ層が用いられることが多い。ＧａＮ層は、３６５ｎｍ以下の波長の光をよく吸収するためである。ＡｌＧａＮ層の内部ではＭｇ等のアクセプターは、大きなイオン化エネルギーをもつ。そのため、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮ層の内部では、正孔を発生させることが困難である。
そのため、紫外発光素子に対して正孔を発光層に効率よく注入するための技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、活性層１０３を第１組成傾斜層１０２、第２組成傾斜層１０４で挟む構造が開示されている（特許文献１の段落［００１６］および図１等参照）。これにより、活性層１０３の周囲に正孔が存在するようにできることが記載されている（特許文献１の段落［００２５］－［００２８］および図４参照）。
特開２０１５－００２３２４号公報
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １０，０２５５０２（２０１７）
本発明者らは、組成が傾斜しているＡｌＧａＮ層を形成すると、そのＡｌＧａＮ層の内部でｐ型化している部分とｎ型化している部分とが生じるという問題を発見した（非特許文献１の図５（ｂ））。つまり、ＡｌＧａＮ層の内部で分極するのである。このため、発光素子の電気抵抗が上昇し、発光素子に電流が流れにくくなる。
また、Ａｌ組成の低い領域におけるＡｌＧａＮ層は、３６５ｎｍ以下の波長の光をある程度吸収する。そのため、光の吸収も考慮して光取り出し効率の向上を検討する必要がある。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。本明細書の技術が解決しようとする課題は、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成の変化に起因してＡｌＧａＮ層の内部にｐ型化した部分とｎ型化した部分とが発生する分極の影響を低減するとともに、光取り出し効率の向上を図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、基板と、基板の上のｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｐ型半導体層の上の透明電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、発光波長は１０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下であり、ｐ型半導体層は、第１のｐ型コンタクト層と第２のｐ型コンタクト層とを有し、第１のｐ型コンタクト層は、第２のｐ型コンタクト層と発光層との間の位置に配置されており、第１のｐ型コンタクト層は、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層で、Ａｌ組成ｘ１は０．８以下０．４以上であり、第２のｐ型コンタクト層は、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層で、Ａｌ組成ｘ２は０．４以下０以上であり、第１のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成ｘ１は、発光層から第２のｐ型コンタクト層に向けて単調に減少し、第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成ｘ２は、第１のｐ型コンタクト層との接合点におけるＡｌ組成から透明電極に向けて単調に減少し、第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率は、第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きく、第２のｐ型コンタクト層と透明電極との接触面における第２のｐ型コンタクト層のＡｌ組成ｘ２が、０以上０．０１以下であり、第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成の傾斜によって生じた分極正電荷をその正電荷濃度と等量の濃度のＭｇの負イオンで補償した上で、さらに、所定濃度以上の正孔を生じさせるように、第２のｐ型コンタクト層におけるＭｇの添加濃度を正電荷濃度の２倍以上と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。
このIII 族窒化物半導体発光素子は、第１のｐ型コンタクト層および第２のｐ型コンタクト層の２層を有する。第１のｐ型コンタクト層および第２のｐ型コンタクト層においては、発光層から遠ざかるにしたがってＡｌ組成が減少する。これにより、正孔濃度が増加する。そして、第２のｐ型コンタクト層の膜厚を第１のｐ型コンタクト層の膜厚より薄くする。また、第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率は、第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きい。そのため、ｐ型コンタクト層におけるｎ型化している領域を可能な限り小さくすることができる。すなわち、Ａｌ組成を単調減少させるＡｌ組成傾斜層に起因する分極の影響を極力排除することができる。したがって、このIII 族窒化物半導体発光素子においては、Ａｌ組成傾斜層に起因する電気抵抗の増加が抑制されている。
本明細書では、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成の変化に起因してＡｌＧａＮ層の内部にｐ型化した部分とｎ型化した部分とが発生する分極の影響を低減するとともに、光取り出し効率の向上を図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法が提供されている。
第１の実施形態における半導体発光素子の概略構成を示す図である。 第１の実施形態の半導体発光素子のｐ型半導体層における膜厚とＡｌ組成との関係を示すグラフである。 第１の実施形態の半導体発光素子のｐ型半導体層における膜厚とＭｇ濃度との関係を示すグラフである。 第１の実施形態の半導体発光素子におけるＡｌＧａＮ層について組成を傾斜させた場合の正味の分極電荷分布を示すグラフである。 実施例における発光素子の積層構造を示す図である。 比較例における発光素子の積層構造を示す図である。 発光素子に流れる電流と光出力との関係を示すグラフである。 比較例の発光素子の光出力に対する実施例の発光素子の光出力の比を示すグラフである。 第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚と光の透過率との関係を示すグラフである。
以下、具体的な実施形態について、III 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。本明細書において、紫外線とは、波長が１０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の光を指すものとする。
（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
本実施形態の発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フリップチップ型の発光素子である。発光素子１００の発光波長は１０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型半導体層１３０と、発光層１４０と、電子ブロック層１５０と、第１のｐ型コンタクト層１６０と、第２のｐ型コンタクト層１７０と、透明電極ＴＥ１と、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有している。
基板１１０の第１面１１０ａ上には、バッファ層１２０と、ｎ型半導体層１３０と、発光層１４０と、電子ブロック層１５０と、第１のｐ型コンタクト層１６０と、第２のｐ型コンタクト層１７０とが、この順序で形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型半導体層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１に接触して形成されている。
ここで、ｎ型半導体層１３０は、ｎ型半導体層である。ｎ型半導体層は、第１導電型の第１半導体層である。電子ブロック層１５０と、第１のｐ型コンタクト層１６０と、第２のｐ型コンタクト層１７０とは、ｐ型半導体層である。ｐ型半導体層は、第２導電型の第２半導体層である。これらのｎ型半導体層およびｐ型半導体層は、ノンドープの層を部分的に含んでいる場合がある。このように、発光素子１００は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｐ型半導体層の上の透明電極ＴＥ１と、透明電極ＴＥ１の上のｐ電極Ｐ１と、ｎ型半導体層の上のｎ電極Ｎ１と、透明電極ＴＥ１の上の分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１と、を有する。
基板１１０は、各半導体層を支持する支持基板である。基板１１０は、第１面１１０ａおよび第２面１１０ｂを有する。基板１１０の第１面１１０ａは、半導体層を成長させるための主面である。基板１１０の第１面１１０ａは、平坦であってもよいし、凹凸形状を有していてもよい。基板１１０の第２面１１０ｂは、発光層１４０からの光を外部に取り出すための光取り出し面である。基板１１０の材質は、サファイアの他、ＡｌＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等その他の材質であってもよい。基板１１０は、もちろん、成長基板であってもよい。
バッファ層１２０は、基板１１０の主面の状態をある程度引き継ぐとともにｎ型半導体層１３０の成長核となりうる層である。バッファ層１２０は、低温ＡｌＮ層、高温ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層である。また、バッファ層１２０は、これらの複数の層を含んでもよい。また、上記以外のIII-V 族化合物を含んでもよい。
ｎ型半導体層１３０は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型ＡｌＧａＮ層である。ｎ型半導体層１３０は、バッファ層１２０の上に形成されている。つまり、ｎ型半導体層１３０は、基板の上に位置している。ｎ型半導体層１３０は、ｎ型コンタクト層を有する。ｎ型コンタクト層は、ｎ電極Ｎ１と接触している。ｎ型半導体層１３０は、積層方向に対して組成が傾斜しているｎ型ＡｌＧａＮ層を有していてもよい。
発光層１４０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１４０は、ｎ型半導体層１３０の上に形成されている。発光層１４０は、複数の障壁層と複数の井戸層とを有している。井戸層として、例えば、ＡｌＧａＮ層を用いることができる。障壁層として、例えば、ＡｌＧａＮ層を用いることができる。障壁層のＡｌ組成は、井戸層のＡｌ組成より大きい。これらは例示であり、その他のＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。発光層１４０は、多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造であってもよい。
電子ブロック層１５０は、発光層１４０の上に形成されている。電子ブロック層１５０は、電子がｐ型コンタクト層１６０の側に拡散することを防止するための層である。電子ブロック層１５０は、例えば、複数のｐ型ＡｌＧａＮ層を積層したものである。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層と第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とでは、Ａｌ組成およびＭｇ濃度は異なっていてもよい。電子ブロック層１５０は、積層方向に対して組成が傾斜しているｐ型ＡｌＧａＮ層を有していてもよい。
第１のｐ型コンタクト層１６０は、電子ブロック層１５０の上に形成されている。第１のｐ型コンタクト層１６０は、第２のｐ型コンタクト層１７０と発光層１４０との間の位置に配置されている。第１のｐ型コンタクト層１６０は、第２のｐ型コンタクト層１７０と接触している。第１のｐ型コンタクト層１６０は、ｐ電極Ｐ１と直接接触していない。第１のｐ型コンタクト層１６０は、例えば、Ｍｇをドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層である。
第２のｐ型コンタクト層１７０は、第１のｐ型コンタクト層１６０の上に形成されている。第２のｐ型コンタクト層１７０は、透明電極ＴＥ１と接触している。第２のｐ型コンタクト層１７０は、透明電極ＴＥ１を介してｐ電極Ｐ１と電気的に接続されている。第２のｐ型コンタクト層１７０は、例えば、Ｍｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層である。第２のｐ型コンタクト層１７０は、第１のｐ型コンタクト層１６０の反対側に透明電極ＴＥ１と接触する接触面１７１を有する。
透明電極ＴＥ１は、第２のｐ型コンタクト層１７０の上に形成されている。透明電極ＴＥ１は、第２のｐ型コンタクト層１７０の接触面１７１に接触している。透明電極ＴＥ１の材質は、ＩＴＯである。また、ＩＴＯの他に、ＩＺＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 等の透明な導電性酸化物を用いることができる。
ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極ＴＥ１を介して第２のｐ型コンタクト層１７０と電気的に接続されている。ｐ電極Ｐ１は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｉｎ等の金属から成る金属電極である。
ｎ電極Ｎ１は、ｎ型半導体層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型半導体層１３０と接触している。ｎ電極Ｎ１は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｉｎ等の金属から成る金属電極である。
２．第１のｐ型コンタクト層および第２のｐ型コンタクト層
２－１．Ａｌ組成
図２は、ｐ型半導体層における膜厚とＡｌ組成との関係を示すグラフである。図２の横軸は、電子ブロック層１５０から第２のｐ型コンタクト層１７０にかけての膜厚である。図２の縦軸は、Ａｌ組成である。
図２に示すように、電子ブロック層１５０では、Ａｌ組成は一定値をとっている。第１のｐ型コンタクト層１６０では、発光層１４０から遠ざかるにつれてＡｌ組成が単調減少している。また、その減少率はほぼ一定である。第２のｐ型コンタクト層１７０では、発光層１４０から遠ざかるにつれてＡｌ組成が単調減少している。また、その減少率はほぼ一定である。このように、第１のｐ型コンタクト層１６０および第２のｐ型コンタクト層１７０では、Ａｌ組成が連続的に変化している。
図２に示すように、第２のｐ型コンタクト層１７０における任意の位置のＡｌ組成は、第１のｐ型コンタクト層１６０におけるＡｌ組成の最小値よりも小さい。第２のｐ型コンタクト層１７０の傾きは、第１のｐ型コンタクト層１６０の傾きよりも大きい。つまり、第２のｐ型コンタクト層１７０における単位膜厚に対するＡｌ組成の減少量は、第１のｐ型コンタクト層１６０における単位膜厚に対するＡｌ組成の減少量よりも大きい。第２のｐ型コンタクト層１７０における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率は、第１のｐ型コンタクト層１６０における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きい。
図２に示すように、第２のｐ型コンタクト層１７０の電極側の接触面１７１では、Ａｌ組成は０以上０．０１以下である。好ましくは、０．００１以下である。すなわち、接触面１７１の位置では、Ａｌ組成はほぼゼロである。
２－２．Ｍｇ濃度
図３は、ｐ型半導体層における膜厚とＭｇ濃度との関係を示すグラフである。図３の横軸は、電子ブロック層１５０から第２のｐ型コンタクト層１７０にかけての膜厚である。図３の縦軸は、Ｍｇ濃度である。
図３に示すように、電子ブロック層１５０では、Ｍｇ濃度は一定値をとっている。第１のｐ型コンタクト層１６０では、発光層１４０から遠ざかるにつれてＭｇ濃度が単調増加している。第２のｐ型コンタクト層１７０では、発光層１４０から遠ざかるにつれてＭｇ濃度が単調増加している。なお、図３においては、Ｍｇ濃度の増加量は直線的に増加しているが、実際には曲線を描く。
図３に示すように、第２のｐ型コンタクト層１７０における任意の位置のＭｇドープ量は、第１のｐ型コンタクト層１６０におけるＭｇドープ量の最大値よりも大きい。第２のｐ型コンタクト層１７０のＭｇドープ量の変化特性の傾きは、第１のｐ型コンタクト層１６０のＭｇドープ量の変化特性の傾きよりも大きい。つまり、第２のｐ型コンタクト層１７０における単位膜厚に対するＭｇ濃度の増加量は、第１のｐ型コンタクト層１６０における単位膜厚に対するＭｇ濃度の増加量よりも大きい。第２のｐ型コンタクト層１７０における単位膜厚に対するＭｇドープ量の変化率は、第１のｐ型コンタクト層１６０における単位膜厚に対するＭｇドープ量の変化率よりも大きいである。
２－３．膜厚
第２のｐ型コンタクト層１７０の膜厚は、第１のｐ型コンタクト層１６０の膜厚よりも薄い。第１のｐ型コンタクト層１６０の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。第２のｐ型コンタクト層１７０の膜厚は、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。好ましくは、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。より好ましくは、１５ｎｍ以上３５ｎｍ以下である。
３．組成傾斜の問題点（従来構造の問題点）
図４は、ＡｌＧａＮ層について組成を傾斜させた場合の正味の分極電荷濃度を示すグラフである。図４の横軸は、膜厚方向の深さ（ｎｍ）である。図４の縦軸は、正味の分極電荷濃度（ｃｍ-3）である。なお、図４の縦軸の上側には、その膜厚におけるＡｌ組成が記載されている。つまり、深さ０ｎｍにおいてＡｌ組成が０であり、深さ１００ｎｍにおいてＡｌ組成が０．６５であるＡｌＧａＮ層（サンプル）についての理論計算結果である。なお、このＡｌＧａＮ層（サンプル）には不純物はドープされていない。
図４に示すように、深さ０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の領域では、分極正電荷が集中している。この分極正電荷の集中を打ち消すために、深さ０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の領域には、電子が集中しやすい。つまり、深さ０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の領域では、ＡｌＧａＮ層がｎ型化している。
一方、深さ３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の領域では、分極負電荷が集中している。この分極負電荷の集中を打ち消すために、深さ３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の領域には、正孔が集中しやすい。つまり、深さ３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の領域では、ＡｌＧａＮ層がｐ型化している。
このように、Ａｌ組成を傾斜させたＡｌＧａＮ層は分極する。この分極の度合いは十分に大きい。このように分極の度合いが大きいため、不純物のドーピングによりｎ型化およびｐ型化を解消することは困難な場合がある。そしてこのような分極が生じると、電気抵抗は高くなる。電気抵抗の上昇にともなって発光効率は低下する。
４．分極
ここで分極についての検討結果について説明する。分極正電荷濃度は次式を満たす。
Ｎ＝ｘ×５×１０13／ｄ
Ｎ：分極正電荷濃度（ｃｍ-3）
ｘ：Ａｌ組成傾斜層におけるＡｌ組成の差ｘ（０≦ｘ≦１）
ｄ：Ａｌ組成傾斜層の膜厚（ｃｍ）
Ａｌ組成の差ｘは、Ａｌ組成傾斜層の第１面のＡｌ組成とＡｌ組成傾斜層の第２面のＡｌ組成との差である。例えば、Ａｌ組成傾斜層の第１面のＡｌ組成が０．２であり、第２面のＡｌ組成が０であれば、Ａｌ組成の差ｘは０．２である。
例えば、ｘ＝０．２、ｄ＝３０×１０-7ｃｍとすると、Ｎ＝３．３×１０18ｃｍ-3である。ｘ＝０．５、ｄ＝１０×１０-7ｃｍとすると、Ｎ＝２．５×１０19ｃｍ-3である。そのため、このＮと同数のＭｇを第２のｐ型コンタクト層１７０に添加することで第２のｐ型コンタクト層１７０の分極正電荷を打ち消す。そしてさらにＮと同数のＭｇを第２のｐ型コンタクト層１７０に導入することにより、第２のｐ型コンタクト層１７０をｐ型化する。
本実施形態では、正孔濃度を増加させるために、第２のｐ型コンタクト層１７０におけるＡｌ組成を急峻に変化させる。そして、光の吸収を抑制するために、第２のｐ型コンタクト層１７０の膜厚を薄くする。この場合には、分極の度合いが従来に比べて大きい。そのため、Ｍｇのドープ量を大幅に増加させる必要がある。例えば、Ｍｇのドープ量は、通常の２倍以上である。
５．本実施形態の効果
５－１．正孔濃度の増加
本実施形態の発光素子１００においては、ｐ型コンタクト層を第１のｐ型コンタクト層１６０と第２のｐ型コンタクト層１７０との２層を有する。第１のｐ型コンタクト層１６０および第２のｐ型コンタクト層１７０においては、発光層１４０から遠ざかるにしたがってＡｌ組成が減少する。これにより、正孔濃度が増加する（特許文献１の段落［００２５］－［００２８］および図４参照）。
５－２．分極の影響の排除（電気抵抗の増加の抑制）
そして、第２のｐ型コンタクト層１７０の膜厚を第１のｐ型コンタクト層１６０の膜厚より薄くする。また、第２のｐ型コンタクト層１７０における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率は、第１のｐ型コンタクト層１６０における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きい。そのため、ｐ型コンタクト層におけるｎ型化している領域（電子集中領域）を可能な限り薄くすることができる。すなわち、Ａｌ組成を単調減少させるＡｌ組成傾斜層に起因する分極の影響を極力排除することができる。したがって、本実施形態の発光素子１００においては、Ａｌ組成傾斜層に起因する電気抵抗の増加が抑制されている。
そして、第２のｐ型コンタクト層１７０におけるＭｇドープにより、ｎ型化を好適に抑制することができる。特に、第２のｐ型コンタクト層１７０においては、電極側の接触面１７１に近づくほどＭｇ濃度が急峻に上昇する。これにより、ｐ型コンタクト層におけるｎ型化している領域をｐ型化することができる。したがって、Ａｌ組成を単調減少させるＡｌ組成傾斜層に起因する分極の影響を極力排除することができる。
５－３．格子緩和と正孔濃度
第２のｐ型コンタクト層１７０の接触面１７１の側では、Ａｌ組成は０以上０．２以下である。Ａｌ組成傾斜層であってＡｌ組成が０以上０．２以下の領域では、格子緩和が生じる（非特許文献１の図５（ａ））。このように格子緩和が生じる領域に対して、Ａｌ組成が小さくなるほどＭｇのドーピング量を増やすことにより、より多くの正孔を発生させることができる。
５－４．紫外線の吸収の抑制
第１のｐ型コンタクト層１６０および第２のｐ型コンタクト層１７０は、いずれもｐ型ＡｌＧａＮ層である。発光素子１００は、ＧａＮ層を有さない。また、Ａｌ組成が低いＡｌＧａＮ層の膜厚は十分に薄い。そのため、発光素子１００の半導体層は、紫外線をそれほど吸収しない。
５－５．ｐ型コンタクト層の接触抵抗
第２のｐ型コンタクト層１７０の接触面１７１におけるＡｌ組成はほとんど０である。したがって、第２のｐ型コンタクト層１７０は、透明電極ＴＥ１と好適にオーミック接触する。
６．半導体発光素子の製造方法
この製造方法は、基板の上にｎ型半導体層を形成する工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成する工程と、を有する。ｐ型半導体層を形成する工程は、発光層の側から第１のｐ型コンタクト層を形成する工程と、第１のｐ型コンタクト層の上に第２のｐ型コンタクト層を形成する工程と、を有する。
ここで用いるキャリアガスとして、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）が挙げられる。後述する各工程において、特に言及がない場合には、これらのいずれを用いてもよい。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＧ」）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＡ」）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）を用いる。
６－１．基板準備工程
まず、基板１１０を準備する。そして、例えば、ＭＯＣＶＤ炉のチャンバーの内部のサセプターに基板１１０を配置する。
６－２．基板洗浄工程
次に、基板温度を１０００℃以上に加熱する。そして、水素ガスをチャンバーの内部に供給する。これにより、基板１１０の主面は洗浄されるとともに還元される。
６－３．バッファ層形成工程
次に、基板１１０の上にバッファ層１２０を形成する。バッファ層１２０として、例えば、低温ＡｌＮ層、高温ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層のいずれかを形成する。または、これらの複数層を形成してもよい。そして、上記以外のIII-V 族化合物を形成してもよい。
６－４．ｎ型半導体層形成工程
次に、バッファ層１２０の上にｎ型半導体層１３０を形成する。このときの基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。この工程で、ｎ型コンタクト層を形成する。また、基板１１０から発光層１４０に向かうにつれてＡｌ組成の異なる組成傾斜層を設けてもよい。
６－５．発光層形成工程
次に、ｎ型半導体層１３０の上に発光層１４０を形成する。その際に、井戸層と障壁層とを交互に積層する。つまり、発光層形成工程は、複数の障壁層を形成する障壁層形成工程と、複数の井戸層を形成する井戸層形成工程と、を有する。基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
６－６．電子ブロック層形成工程
次に、発光層１４０の障壁層の上に電子ブロック層１５０を形成する。電子ブロック層１５０として、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。基板温度は、９００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
６－７．第１のｐ型コンタクト層形成工程
次に、電子ブロック層１５０の上に第１のｐ型コンタクト層１６０を形成する。第１のｐ型コンタクト層１６０としてｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する際に、上層にいくにしたがって、ＴＭＡの供給量を減少させる。つまり、第１のｐ型コンタクト層１６０におけるＡｌ組成を発光層１４０から遠ざかるほど小さくする。ＴＭＡの供給量の減少にともなってＴＭＧの供給量を増加させるとよい。
また、上層にいくにしたがって、ｐ型ドーパントガスであるビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）の供給量を増加させる。なお、基板温度を、８００℃以上１２００℃以下の範囲内とする。
６－８．第２のｐ型コンタクト層形成工程
次に、第１のｐ型コンタクト層１６０の上に第２のｐ型コンタクト層１７０を形成する。第２のｐ型コンタクト層１７０としてｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する際に、上層にいくにしたがって、ＴＭＡの供給量を減少させる。つまり、第２のｐ型コンタクト層１７０におけるＡｌ組成を発光層から遠ざかるほど小さくする。ＴＭＡの供給量の減少にともなってＴＭＧの供給量を増加させるとよい。
第２のｐ型コンタクト層１７０における任意の位置のＡｌ組成を、第１のｐ型コンタクト層１６０におけるＡｌ組成の最小値よりも小さくする。第２のｐ型コンタクト層１７０における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率を、第１のｐ型コンタクト層１６０における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きくする。つまり、第２のｐ型コンタクト層１７０を形成する際のＴＭＡの供給量の単位時間当たりの減少幅は、第１のｐ型コンタクト層１６０を形成する際のＴＭＡの供給量の単位時間当たりの減少幅よりも大きい。
また、上層にいくにしたがって、ｐ型ドーパントガスであるビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）の供給量を増加させる。また、キャリアガスとして、少なくとも水素ガスを供給するとよい。これにより、第２のｐ型コンタクト層１７０の表面平坦性は向上する。基板温度を、８００℃以上１２００℃以下の範囲内とする。
６－９．透明電極形成工程
次に、第２のｐ型コンタクト層１７０の上に透明電極ＴＥ１を形成する。その際、スパッタリング技術を用いてもよいし、蒸着技術を用いてもよい。
６－１０．電極形成工程
そして、レーザーもしくはエッチングにより、第２のｐ型コンタクト層１７０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型半導体層１３０の一部を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。また、透明電極ＴＥ１の上にｐ電極Ｐ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
６－１１．その他の工程
また、上記の工程の他、分布ブラッグ反射膜を形成する工程、絶縁膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１の発光素子１００が製造される。
７．実験
７－１．実施例の構造
図５は、実施例における発光素子の積層構造を示す図である。図５に示すように、実施例における発光素子は、ｃ面サファイア基板と、ＡｌＮバッファ層と、アンドープのＡｌ0.99Ｇａ0.01Ｎ層と、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層と、ｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ｎ層と、ＡｌＧａＮ発光層と、ｐ型Ａｌ0.8 Ｇａ0.2
Ｎ層と、第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層と、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層と、を順に積層した構造体を有する。
ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層のＡｌ組成は、アンドープのＡｌ0.99Ｇａ0.01Ｎ層からｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ｎ層に向かうにつれて、１から０．６に単調減少している。
ＡｌＧａＮ発光層は、ＡｌＧａＮの井戸層とＡｌＧａＮの障壁層とを有する。障壁層のＡｌ組成は井戸層のＡｌ組成よりも大きい。井戸層は３層である。
第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層は、第１のｐ型コンタクト層１６０に相当する。第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層のＡｌ組成は、ｐ型Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ｎ層から第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層に向かうにつれて、０．８から０．４に単調減少している。第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚は１００ｎｍである。
第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層は、第２のｐ型コンタクト層１７０に相当する。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層のＡｌ組成は、第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層から離れるにつれて、０．４から０に単調減少している。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚は３０ｎｍである。
７－２．比較例の構造
図６は、比較例における発光素子の積層構造を示す図である。図６の比較例における発光素子と図５の実施例における発光素子とでは、ｐ型コンタクト層のみが異なっている。比較例の発光素子のｐ型コンタクト層は、１層のみのｐ型ＧａＮ層である。
７－３．光出力の電流依存性
図７は、発光素子に流れる電流と光出力との関係を示すグラフである。図７の横軸は発光素子に流れる電流（ｍＡ）である。図７の縦軸は発光素子の光出力（ａ．ｕ．）である。図７に示すように、５０ｍＡ以下の電流値において、実施例の発光素子の光出力は、比較例の発光素子の光出力よりも大きい。
図８は、比較例の発光素子の光出力に対する実施例の発光素子の光出力の比を示すグラフである。図８の横軸は発光素子に流れる電流（ｍＡ）である。図８の縦軸は、比較例の発光素子の光出力に対する実施例の発光素子の光出力の比である。図８では、１０ｍＡ以下の領域はプロットを省略してある。図８に示すように、１０ｍＡ以上５０ｍＡ以下の電流値において、実施例の発光素子の明るさは、比較例の発光素子の明るさの１．４倍以上である。また、電流値が１０ｍＡの場合には、実施例の発光素子の明るさは、比較例の発光素子の明るさの１．８倍程度である。
このように、実施例の発光素子の光出力は、比較例の発光素子の光出力に比べて十分に大きい。
７－４．透過率の波長依存性
図５に示す実施例の構造体に波長の異なる光を照射し、その光の透過率を測定した。そのために、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚を０ｎｍ、２５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍのサンプルを作製した。ここで０ｎｍとは、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層を成膜しなかったサンプルを示している。なお、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の表面におけるＡｌ組成は０である。ただし、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が０ｎｍのサンプルの表面におけるＡｌ組成は０．４である。
図９は、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚と光の透過率との関係を示すグラフである。図９の横軸は光の波長である。図９の縦軸は光の透過率である。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が０ｎｍ、２５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの場合をそれぞれ、実線、破線、一点鎖線、二点鎖線で示している。
図９に示すように、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が厚いほど、光の透過率は小さくなる傾向がある。ここで例えば、波長が３００ｎｍの場合について説明する。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が０ｎｍの場合の透過率は、６５％程度である。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が２５ｎｍの場合の透過率は、４８％程度である。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が５０ｎｍの場合の透過率は、３３％程度である。第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が１００ｎｍの場合の透過率は、１８％程度である。
第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚が０ｎｍの場合には、第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層が透明電極との接触面を有する。第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の透明電極との接触面でのＡｌ組成は０．４である。そのため、第１のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層が透明電極等と好適なオーミックコンタクトをとることは困難である。したがって、第２のｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ傾斜層の膜厚は５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるとよい。
８．変形例
８－１．フェイスアップ型の発光素子
本実施形態の発光素子１００はフリップチップ型の半導体発光素子である。しかし、フェイスアップ型の半導体発光素子に本明細書の技術を適用することも可能である。
８－２．ｎ型半導体層
ｎ型半導体層の積層構造は、上記の実施形態以外の構造であってもよい。例えば、ｎ型半導体層１３０は、ノンドープの半導体層を含んでもよい。また、Ａｌ組成傾斜層を含んでもよい。
８－３．ｐ型半導体層
ｐ型半導体層の積層構造は、上記の実施形態以外の構造であってもよい。例えば、ｐ型半導体層は、ノンドープの半導体層を含んでもよい。また、Ａｌ組成傾斜層を含んでもよい。
８－４．反射層
発光素子１００は、分布ブラッグ反射膜ＤＢＲ１およびｐ電極Ｐ１が発光層１４０からの光を光取り出し面の側に反射する。しかし、発光素子は、上記以外の反射層を有していてもよい。
８－５．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
９．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００は、第１のｐ型コンタクト層１６０および第２のｐ型コンタクト層１７０を有する。第１のｐ型コンタクト層１６０および第２のｐ型コンタクト層１７０においては、発光層１４０から遠ざかるにしたがってＡｌ組成が減少する。これにより、正孔濃度が増加する。第２のｐ型コンタクト層１７０の膜厚を第１のｐ型コンタクト層１６０の膜厚より薄くするとともに、第２のｐ型コンタクト層１７０の組成の変化率を急峻にしている。したがって、Ａｌ組成傾斜層に起因する分極の影響を極力排除することができる。
Ａ．付記
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、基板と、基板の上のｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、を有する。このIII 族窒化物半導体発光素子の発光波長は３８０ｎｍ以下である。ｐ型半導体層は、第１のｐ型コンタクト層と第２のｐ型コンタクト層とを有する。第１のｐ型コンタクト層は、第２のｐ型コンタクト層と発光層との間の位置に配置されている。第１のｐ型コンタクト層は、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。第２のｐ型コンタクト層は、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。第１のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成は、発光層から遠ざかるほど小さい。第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成は、発光層から遠ざかるほど小さい。第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成は、第１のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成よりも小さい。第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率は、第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きい。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、第１のｐ型コンタクト層におけるＭｇドープ量は、発光層から遠ざかるほど大きい。第２のｐ型コンタクト層におけるＭｇドープ量は、発光層から遠ざかるほど大きい。第２のｐ型コンタクト層におけるＭｇドープ量は、第１のｐ型コンタクト層におけるＭｇドープ量よりも大きい。第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＭｇドープ量の変化率は、第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＭｇドープ量の変化率よりも大きい。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、第２のｐ型コンタクト層の膜厚は、第１のｐ型コンタクト層の膜厚よりも薄い。光を吸収しやすい第２のｐ型コンタクト層の膜厚が比較的薄いため、光取り出し効率は高い。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、第２のｐ型コンタクト層の膜厚は、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。光を吸収しやすい第２のｐ型コンタクト層の膜厚がこの範囲の場合に、光取り出し効率は高い。
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、第２のｐ型コンタクト層の上の透明電極を有する。第２のｐ型コンタクト層は、第１のｐ型コンタクト層の反対側に透明電極と接触する接触面を有する。接触面におけるＡｌ組成が、０以上０．０１以下である。
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上にｎ型半導体層を形成する工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成する工程と、を有する。III 族窒化物半導体発光素子の発光波長は３８０ｎｍ以下である。ｐ型半導体層を形成する工程は、発光層の側から第１のｐ型コンタクト層を形成する工程と、第１のｐ型コンタクト層の上に第２のｐ型コンタクト層を形成する工程と、を有する。第１のｐ型コンタクト層を形成する工程では、第１のｐ型コンタクト層としてｐ型ＡｌＧａＮ層を形成し、第１のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成を発光層から遠ざかるほど小さくする。第２のｐ型コンタクト層を形成する工程では、第２のｐ型コンタクト層としてｐ型ＡｌＧａＮ層を形成し、第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成を発光層から遠ざかるほど小さくする。そして、第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成を、第１のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成よりも小さくし、第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率を、第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きくする。
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…ｎ型半導体層
１４０…発光層
１５０…電子ブロック層
１６０…第１のｐ型コンタクト層
１７０…第２のｐ型コンタクト層
１７１…接触面
ＴＥ１…透明電極
ＤＢＲ１…分布ブラッグ反射膜
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極

Claims (5)

  1. 基板と、前記基板の上のｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の上の発光層と、前記発光層の上のｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層の上の透明電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
    発光波長は１０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下であり、
    前記ｐ型半導体層は、第１のｐ型コンタクト層と第２のｐ型コンタクト層とを有し、
    前記第１のｐ型コンタクト層は、前記第２のｐ型コンタクト層と前記発光層との間の位置に配置されており、
    前記第１のｐ型コンタクト層は、ｐ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ層で、Ａｌ組成ｘ１は０．８以下０．４以上であり、
    前記第２のｐ型コンタクト層は、ｐ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ層で、Ａｌ組成ｘ２は０．４以下０以上であり、
    前記第１のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成ｘ１は、前記発光層から前記第２のｐ型コンタクト層に向けて単調に減少し、
    前記第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成ｘ２は、前記第１のｐ型コンタクト層との接合点におけるＡｌ組成から前記透明電極に向けて単調に減少し、
    前記第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率は、前記第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＡｌ組成の変化率よりも大きく、
    前記第２のｐ型コンタクト層と前記透明電極との接触面における前記第２のｐ型コンタクト層のＡｌ組成ｘ２が、０以上０．０１以下であり、
    前記第２のｐ型コンタクト層におけるＡｌ組成の傾斜によって生じた分極正電荷をその正電荷濃度と等量の濃度のＭｇの負イオンで補償した上で、さらに、所定濃度以上の正孔を生じさせるように、前記第２のｐ型コンタクト層におけるＭｇの添加濃度を前記正電荷濃度の２倍以上とした
    ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
  2. 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
    前記第１のｐ型コンタクト層におけるＭｇドープ量は、前記発光層から前記第２のｐ型コンタクト層に向けて単調に増加し、
    前記第２のｐ型コンタクト層におけるＭｇドープ量は、前記第１のp型コンタクト層との接合点におけるＭｇドープ量から前記透明電極に向けて単調に増加し、
    前記第２のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＭｇドープ量の変化率は、前記第１のｐ型コンタクト層における単位膜厚に対するＭｇドープ量の変化率よりも大きい
    ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
  3. 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において、
    前記第２のｐ型コンタクト層の膜厚は、前記第１のｐ型コンタクト層の膜厚よりも薄いことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
    前記第２のｐ型コンタクト層の膜厚は、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
    前記第１のｐ型コンタクト層における前記Ａｌ組成ｘ１の減少率及び前記第２のｐ型コンタクト層における前記Ａｌ組成ｘ２の減少率は一定である
    ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
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