JP7262965B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子、特に、紫外領域の光を放出する半導体発光素子に関する。
近年、空気や水の殺菌作用を有する新しい光源として、紫外領域（例えばピーク波長が２００ｎｍ～３６５ｎｍ）、特に深紫外領域（例えばピーク波長が２００～３００ｎｍ）に発光波長帯域を有する半導体発光素子が注目されている。例えば、特許文献１には、ＡｌＧａＮの組成のｐ型コンタクト層を有し、深紫外領域に発光波長を有する発光素子が開示されている。
Applied Physics Express 9, 012102 (2016)
紫外領域に発光波長を有する半導体発光素子は、高出力化の点で課題を有している。特に、窒化物系半導体からなる紫外発光素子においては、活性層から放出された光が外部に取り出されにくいこと、すなわち光取出し効率が低いことが課題の１つとして挙げられる。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高出力な紫外領域の半導体発光素子を提供することを目的としている。
本発明による半導体発光素子は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有するｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成され、ＡｌＧａＮ系半導体又はＡｌＩｎＧａＮ系半導体からなる活性層と、活性層上に形成され、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有するｐ型半導体層と、ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極と、を有し、ｐ型半導体層は、ｐ電極上に形成され、ｐ電極との界面に向かってバンドギャップが小さくなるＡｌＧａＮ層又はＡｌＩｎＧａＮ層からなるコンタクト層を有し、コンタクト層は、ｐ電極に接触し、トンネル接合によってｐ電極に接続されたトンネルコンタクト層を有することを特徴としている。
実施例１に係る半導体発光素子の上面図である。 実施例１に係る半導体発光素子の断面図である。 実施例１に係る半導体発光素子のバンド図である。 実施例１に係る半導体発光素子のバンド構造を示す図である。 比較例に係る半導体発光素子のバンド構造を示す図である。 層内で一定の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層及び層内で異なる組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層のｐ電極との間の接触抵抗の測定結果を示す図である。 層内で一定の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層を含むテスト構造の構成を示す図である。 層内で異なる組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層を含むテスト構造の構成を示す図である。 実施例１に係る半導体発光素子内の光の進路を示す図である。 実施例２に係る半導体発光素子のバンド図である。 実施例３に係る半導体発光素子のバンド図である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
図１は、実施例１に係る半導体発光素子（以下、単に発光素子と称する）１０の上面図である。また、図２は、発光素子１０の断面図であり、図１のＷ－Ｗ線に沿った断面図である。また、図３は、発光素子１０のバンド図である。図１乃至図３を用いて、発光素子１０の構成について説明する。
まず、発光素子１０の構造について説明する。本実施例においては、発光素子１０は、紫外領域（例えば２００～３６５ｎｍの範囲内）に発光波長帯域を有する窒化物系半導体からなる。
発光素子１０は、成長用基板１１上に形成されたｎ型半導体層１２、活性層１３、電子ブロック層１４及びｐ型半導体層１５を有する。ｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５は、発光素子１０における発光構造層として機能する。また、発光素子１０は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５にそれぞれ接続されたｎ電極１６及びｐ電極１７を有する。
まず、本実施例においては、成長用基板１１は、例えば、ＡｌＮ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などからなる。本実施例においては、成長用基板１１は単結晶のＡｌＮ基板である。すなわち、ｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５の各々は、成長用基板１１としての単結晶のＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長された半導体層である。
なお、高い結晶品質のｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５を成長させることを考慮すると、成長用基板１１は、比較的低い転位密度を有することが好ましい。例えば、成長用基板１１の転位密度は、１０8ｃｍ-2以下であることが好ましく、１０7ｃｍ-2以下であることがさらに好ましい。なお、転位密度は、透過型電子顕微鏡像より転位数を測定すること、及び加熱酸混合溶液に浸漬した後に測定したエッチピット数を測定することなど、公知の方法を用いて測定することができる。
また、本実施例においては、成長用基板１１は、＋Ｃ面を結晶成長面として有する。従って、本実施例においては、ｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５は、ＡｌＮ基板のＣ面上に成長された半導体層である。しかし、成長用基板１１の結晶成長面は＋Ｃ面である場合に限定されず、例えばＣ面から傾斜（オフ）した面を結晶成長面として用いてもよい。＋Ｃ面から傾斜した面を結晶成長面として用いる場合、その傾斜角（オフ角）は、０．１～０．５°の範囲内であることが好ましく、０．３～０．４°の範囲内であることがさらに好ましい。また、成長用基板１１の結晶成長面は、Ｍ面又はＡ面であってもよい。
また、成長用基板１１の厚さは、光の吸収係数を小さくすること、及び取り扱いの容易さ（歩留まり）などを考慮して定めることができる。成長用基板１１の厚さは、例えば、５０～１０００μｍの範囲内であることが好ましい。
なお、成長用基板１１とｎ型半導体層１２との間には、バッファ層（図示せず）が設けられていてもよい。バッファ層を設ける場合、バッファ層は、例えば、単層のＡｌＮ層からなること、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層からなる超格子構造を有すること、互いに異なる組成のＡｌＧａＮ層からなる超格子構造を有すること、ｎ型半導体層１２に向かってＡｌ組成が減少するように組成が傾斜する構造を有すること、又はこれらの組み合わせた構造を有することが好ましい。また、バッファ層は、例えば、ｎ型半導体層１２よりも高いＡｌ組成のＡｌＧａＮ層からなることが好ましい。しかし、バッファ層は、ｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５の結晶成長プロセスの歩留まり向上に寄与するような組成を有していればよい。
また、バッファ層を設ける場合、バッファ層は、例えば生産性を考慮すると、１～１００００ｎｍの範囲内の層厚を有することが好ましく、１０～５０００ｎｍの範囲内の層厚を有することがさらに好ましい。
図２及び図３を参照すると、ｎ型半導体層１２は、成長用基板１１上に形成されている。ｎ型半導体層１２は、活性層１３に電子を注入する機能を有する。
ｎ型半導体層１２は、ＡｌsＧａ1-sＮ（０＜ｓ＜１、好ましくはｘ２≦ｓ≦０．９、ｘ２は後述する活性層１３の障壁層１３ＢのＡｌ組成）の組成を有する。本実施例においては、ｎ型半導体層１２は、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎの組成を有する。ｎ型半導体層１２は、例えば、１００ｎｍ以上の層厚を有することが好ましい。また、ｎ型半導体層１２は、低い転位密度を有することが好ましい。
なお、ｎ型半導体層１２は、Ｉｎを含んでいてもよい。例えば、ｎ型半導体層１２は、ＡｌＩｎＧａＮの組成を有していてもよい。この場合であっても、ｎ型半導体層１２は、例えば、活性層１３の障壁層１３Ｂ以上であり、かつＡｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ以下のバンドギャップを有していることが好ましい。すなわち、ｎ型半導体層１２は、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有していればよい。
ｎ型半導体層１２は、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを含み、ｎ型の導電型を有する。ｎ型半導体層１２のドーパント濃度は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜決定すればよい。例えば、高い導電性を得ることを考慮すると、ｎ型半導体層１２のドーパント濃度は、１×１０15～５×１０19ｃｍ-3の範囲内であることが好ましい。
なお、ｎ型半導体層１２は、複数のｎ型の導電型を示す半導体層から構成されていてもよい。この場合、そのそれぞれの半導体層は、１×１０15～５×１０19ｃｍ-3の範囲内のドーパント濃度を有することが好ましい。
活性層１３は、ｎ型半導体層１２上に形成され、ｎ型半導体層１２以下のバンドギャップを有する。活性層１３は、発光層として機能する。本実施例においては、活性層１３は、ＡｌＧａＮ系半導体からなる結晶組成を有する。具体的には、活性層１３は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の組成を有する。活性層１３は、紫外領域の光を放出する。なお、活性層１３は、ｎ型半導体層１２上に直接形成されていること、すなわちｎ型半導体層１２に接していることが好ましい。
なお、活性層１３は、Ｉｎを含んでいてもよい。例えば、活性層１３は、ＡｌＩｎＧａＮの組成を有していてもよい。この場合であっても、活性層１３は、例えば、ＧａＮよりも大きく、かつＡｌＮよりも小さなバンドギャップを有していればよい。すなわち、活性層１３は、ＡｌＧａＮ系半導体又はＡｌＩｎＧａＮ系半導体からなる結晶組成を有していればよい。
また、本実施例においては、図３に示すように、活性層１３は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。本実施例においては、活性層１３は、各々がＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎの組成を有する複数の井戸層１３Ａと、各々がＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎの組成を有しかつ井戸層１３Ａよりも大きなバンドギャップを有する複数の障壁層１３Ｂと、を含む。
本実施例においては、井戸層１３Ａの各々はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎの組成を有し、障壁層１３Ｂの各々はＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎの組成を有する。また、例えば、井戸層１３Ａの各々は３～６ｎｍの範囲内の層厚を有し、障壁層１３Ｂの各々は３～１０ｎｍの範囲内の層厚を有する。
また、本実施例においては、障壁層１３ＢのＡｌ組成ｘ２は、ｎ型半導体層１２のＡｌ組成ｓよりも小さい。従って、障壁層１３Ｂは、ｎ型半導体層１２よりも小さなバンドギャップを有する。従って、本実施例においては、ｎ型半導体層１２と障壁層１３Ｂとの間にバンドギャップの段差が設けられている。
なお、活性層１３の構成はこれに限定されない。例えば、活性層１３は、多重量子井戸構造を有する場合に限定されない。例えば、活性層１３は、単一量子井戸構造を有していてもよく、また、単層からなっていてもよい。
電子ブロック層１４は、活性層１３上に形成され、活性層１３よりも大きなバンドギャップを有する。電子ブロック層１４は、ＡｌtＧａ1-tＮ（ｓ＜ｔ≦１）の組成を有する。電子ブロック層１４は、活性層１３内に注入された電子のｐ型半導体層１５へのオーバーフローを抑制する層として機能する。
本実施例においては、電子ブロック層１４は、ｎ型半導体層１２よりも大きなバンドギャップを有する。また、本実施例においては、電子ブロック層１４は、成長用基板１１と同一の組成、すなわちＡｌＮの組成を有する（ｔ＝１の場合に対応する）。また、例えば、電子ブロック層１４は、１～５０ｎｍの範囲内の層厚を有する。
なお、本実施例においては、電子ブロック層１４は、ｐ型ドーパントとして例えばＭｇを含み、ｐ型の導電型を有する。しかし、電子ブロック層１４は、ｐ型ドーパントを含んでいなくてもよく、また、その一部にｐ型ドーパントを含んでいてもよい。また、電子ブロック層１４は、設けられていなくてもよい。すなわち、活性層１３上にｐ型半導体層１５が形成されていてもよい。
ｐ型半導体層１５は、電子ブロック層１４以下のバンドギャップを有する。ｐ型半導体層１５は、ｐ型ドーパントとして例えばＭｇを含み、ｐ型の導電型を有する。ｐ型半導体層１５は、ｎ型半導体層１２と共に、クラッド層として機能する。また、本実施例においては、ｐ型半導体層１５は、クラッド層として機能するｐ型クラッド層１５Ａと、ｐ電極１７との界面に設けられてｐ電極１７に接し、ｐ電極１７との電気的接触を形成するコンタクト層１５Ｂとを有する。
ｐ型クラッド層１５Ａは、ＡｌuＧａ1-uＮ（ｘ２＜ｕ＜１、ｕ≦ｔ）の組成を有する。すなわち、ｐ型クラッド層１５Ａは、電子ブロック層１４以下のバンドギャップを有する。例えば、ｐ型クラッド層１５Ａは、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ｎの組成を有する。また、例えば、ｐ型クラッド層１５Ａは、１～１００ｎｍの範囲内の層厚を有する。
コンタクト層１５Ｂは、ｐ型クラッド層１５Ａとの界面からｐ電極１７との界面に向かって、ｐ型半導体層１５に垂直な方向（各層の層厚方向）に沿ってバンドギャップが単調に小さくなるような組成を有する。本実施例においては、コンタクト層１５Ｂは、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）の範囲内の組成を有し、ｐ電極１７に向かって連続的にＡｌ組成ｙが小さくなるように構成されている。
また、コンタクト層１５ＢのＡｌ組成ｙは、活性層１３における井戸層１３ＡのＡｌ組成ｘ１よりも大きい範囲内で、ｐ電極１７に向かって徐々に小さくなるように構成されていることが好ましい。すなわち、コンタクト層１５ＢのＡｌ組成ｙは、ｘ１≦ｙ≦１の範囲内で変化していることが好ましい。
これによって、コンタクト層１５Ｂは、全体として、井戸層１３Ａよりも大きなバンドギャップを有することとなる。コンタクト層１５ＢのＡｌ組成ｙをｘ１≦ｙ≦１の範囲内で変化させることで、活性層１３から放出された光の波長に対して透光性を持たせることができる。従って、発光素子１０の光取り出し効率が向上する。
本実施例においては、コンタクト層１５Ｂは、ｐ型クラッド層１５Ａとの界面においては、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ｎの組成（ｐ型クラッド層１５Ａと同一の組成）を有する。また、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７との界面においては、Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ｎの組成を有する。すなわち、コンタクト層１５Ｂ内において、Ａｌ組成ｙは、ｐ電極１７に向かって、０．８から０．６まで減少している。また、例えば、コンタクト層１５Ｂは、２０～６０ｎｍの層厚を有する。
また、例えば、コンタクト層１５Ｂ内におるＡｌ組成ｙの変化率（減少率）は、０．０００８ｎｍ-1～０．０５ｎｍ-1の範囲内である。また、コンタクト層１５ＢにおけるＡｌ組成ｙの変化率の好ましい範囲としては、０．０００８ｎｍ-1～０．０３５ｎｍ-1の範囲を挙げることができ、また、より好ましい範囲としては、０．００３ｎｍ-1～０．０３ｎｍ-1の範囲を挙げることができる。
なお、コンタクト層１５ＢのＡｌ組成ｙは、ｐ電極１７に向かって単調に小さくなっていればよい。例えば、コンタクト層１５ＢのＡｌ組成ｙは、図３に示すように連続的（線形的）に小さくなっている場合に限定されず、例えば段階的（階段状）に小さくなっていてもよい。すなわち、例えば、コンタクト層１５Ｂは、ｐ型クラッド層１５Ａとの界面からｐ電極１７との界面に向かって連続的又は段階的にＡｌ組成ｙが小さくなるような組成を有するＡｌＧａＮ層である。
本実施例においては、ｎ型半導体層１２、活性層１３、電子ブロック層１４、及びｐ型半導体層１５（ｐ型クラッド層１５Ａ及びコンタクト層１５Ｂ）の各々のバンドギャップは、図３に示すような関係を有する。
また、図１及び図２を参照すると、ｎ電極１６は、ｎ型半導体層１２上に形成され、ｐ電極１７はｐ型半導体層１５（コンタクト層１５Ｂ）上に形成されている。例えば、ｎ電極１６は、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＡｕ層の積層体からなる。
また、ｐ電極１７の構成例としては、例えば、Ｎｉ層及びＡｕ層の積層体、Ｐｔ層又はＰｄ層とＡｕ層との積層体が挙げられる。また、ｐ電極１７の他の構成例としては、ＩＴＯなどの金属酸化物を極めて薄くした後、Ａｌなどの紫外光に対して反射性を有する材料を積層したものが挙げられる。なお、ｐ電極１７としては、Ｒｈ層又はＲｕ層など、ｐ型の窒化物半導体との間で良好なオーミックコンタクトを形成することが可能であり、かつ紫外光に対して高い反射率を有する材料で構成されることが好ましい。
本実施例においては、ｐ型半導体層１５の表面には、ｐ型半導体層１５、電子ブロック層１４、活性層１３を貫通してｎ型半導体層１２に至り、上面視において櫛歯形状を有する凹部（メサ構造部）が形成されている。ｎ電極１６は、当該凹部の底部において露出したｎ型半導体層１２の表面上において櫛歯状に形成されている。
また、ｐ電極１７は、当該凹部が形成されていないｐ型半導体層１５の表面上に層状にかつ櫛歯状に形成され、上面視においてその櫛歯部分がｎ電極１６の櫛歯部分に噛み合うように配置されている。
また、本実施例においては、発光素子１０は、ｐ型半導体層１５側から発光構造層を支持する支持基板（実装用基板）１８を有する。支持基板１８は、基体１８Ａと、基体１８Ａ上に形成され、それぞれｎ電極１６及びｐ電極１７に接続されたｎ側パッド電極１８Ｂ及びｐ側パッド電極１８Ｃを有する。また、本実施例においては、発光素子１０は、ｎ側パッド電極１８Ｂとｎ電極１６とを接続する接続電極１９を有する。換言すれば、発光素子１０は、フリップチップ実装によって実装されている。
なお、上記したｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５の構成、並びにｎ電極１６及びｐ電極１７の構成は、一例に過ぎない。例えば、ｎ電極１６はｎ型半導体層１２に接していればよく、ｐ電極１７はｐ型半導体層１５に接していればよい。すなわち、例えば図１及び図２に示す発光素子１０の構成（例えば電極形状など）は一例に過ぎない。また、発光素子１０の支持手段及び実装手段はこれに限定されない。
図４は、発光素子１０のコンタクト層１５Ｂ及びｐ電極１７の近傍における価電子帯のバンド構造を模式的に示す図である。図４を用いて、コンタクト層１５Ｂについて詳細に説明する。図４の破線は、フェルミ準位を示す。
本実施例においては、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７との界面に向かってＡｌ組成ｙが徐々に小さくなるＡｌＧａＮ層からなる。本願の発明者は、コンタクト層１５Ｂをこのような組成傾斜層として形成すると、電極特性が良化することを見出した。これは、コンタクト層１５Ｂに形成される空乏層ＤＬが非常に薄くなり、ｐ電極１７との界面において容易にトンネル効果が発生することによると考えられる。
より具体的には、ＡｌＧａＮは、Ａｌ組成が高いほど大きなバンドギャップを有し、かつ一般に、正孔の活性化率が悪い半導体材料である。従って、ＡｌＧａＮをコンタクト層１５Ｂとして形成すると、ｐ電極１７との界面において高いエネルギー障壁（ショットキー障壁）が形成され、また厚い空乏層が形成されやすい。従って、ｐ電極１７とのオーミックコンタクトが形成されにくい。
これに対し、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７に向かってＡｌ組成ｙが小さくなる組成を有する。従って、コンタクト層１５Ｂのバンドギャップはｐ電極１７に向かって徐々に小さくなる。これによって、内部電界の効果によって、コンタクト層１５Ｂ内の正孔の活性化率が大幅に上昇し、価電子帯とフェルミレベルとが近づく。これによって、図４に示すように、コンタクト層１５Ｂのエネルギーバンドは、ｐ電極１７との界面近傍で大きく曲がると考えられる。
従って、コンタクト層１５Ｂに形成される空乏層ＤＬが非常に薄くなり、正孔がトンネル効果によってショットキー障壁を超えやすくなると考えられる。従って、コンタクト層１５Ｂとｐ電極１７との間にオーミックコンタクトが形成されることとなる。すなわち、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７との界面近傍に、トンネル接合によってｐ電極１７に接続されたトンネルコンタクト層１５ＢＴを有する。
なお、トンネルコンタクト層１５ＢＴとは、トンネル効果が高い確率で起きるコンタクト層１５Ｂ内の領域であり、その層厚は、例えばｐ電極Ｐ１７の材料やコンタクト層１５Ｂの組成、印加する電流値によって変化する。しかし、コンタクト層１５Ｂの組成を上記したように傾斜させることで、オーミックコンタクトを安定して形成するのに適したトンネルコンタクト層１５ＢＴを形成することができる。
図５は、比較例に係る発光素子１００のバンド構造を示す図である。比較例に係る発光素子１００は、コンタクト層１５Ｂに代えて、一定のＡｌ組成ｙ（例えばｙ＝０．６）を有するＡｌＧａＮ層からなるコンタクト層１０１を有する。
コンタクト層１０１に形成されるｐ電極１７との間のエネルギー障壁の高さは、本実施例におけるコンタクト層１５Ｂと同程度となる。一方、コンタクト層１０１に形成される空乏層ＤＬ１は、コンタクト層１５Ｂに形成される空乏層ＤＬに比べて非常に厚い。これは、コンタクト層１０１内における正孔の活性化率が非常に低いことに起因する。従って、コンタクト層１０１とｐ電極１７との間で良好なオーミックコンタクトを形成することが困難であることが予想できる。
図６Ａは、本実施例におけるコンタクト層１５Ｂと同様に層内で異なる組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層と、比較例におけるコンタクト層１０１と同様に層内で一定の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層と、におけるｐ電極１７と同様の材料からなる金属層との間の接触抵抗の測定結果を示す図である。図６は、当該層内で一定の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層と当該金属層との間の接触抵抗値を１とした場合の、当該層内で異なる組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層と当該金属層との間の接触抵抗値を示す図である。
なお、図６Ａの結果を得るために、図６Ｂ及び図６Ｃに示すようなテスト構造Ｔ１及びＴ２を準備した。図６Ｂは、比較例におけるコンタクト層１０１と同様の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ３を有するテスト構造Ｔ１の構成を示す図である。また、図６Ｃは、実施例におけるコンタクト層１５Ｂと同様の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ４を含むテスト構造Ｔ２の構成を示す図である。
まず、図６Ｂに示すように、テスト構造Ｔ１は、ＡｌＮ基板ＴＬ１上にＡｌＮバッファ層ＴＬ２及びｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ３が成長され、ｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ３上に金属層ＴＥとしてＮｉ層及びＡｕ層が形成された構造を有する。また、図６Ｃに示すように、テスト構造Ｔ２は、ＡｌＮ基板ＴＬ１上にＡｌＮバッファ層ＴＬ２及びｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ４が成長され、ｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ４上に金属層ＴＥが形成された構造を有する。
図６Ａは、テスト構造Ｔ１におけるｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ３と金属層ＴＥとの間の接触抵抗と、テスト構造Ｔ２におけるｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ４と金属層ＴＥとの間の接触抵抗と、を測定した結果を示す図である。
図６Ａに示すように、層内で異なる組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ４においては、一定の組成を有するｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ３に比べ、金属層ＴＥとの間の接触抵抗が大幅に減少していることがわかる。
従って、層内で組成が異なるｐ－ＡｌＧａＮ層ＴＬ４と金属層ＴＥとの間で良好なオーミックコンタクトを形成することができることがわかる。すなわち、コンタクト層１５Ｂとｐ電極１７とが良好なオーミックコンタクトを形成することができることがわかる。従って、コンタクト層１５Ｂを形成することで、例えば、駆動電圧が低く、透光性の高いコンタクト層１５Ｂを有する発光素子１０を提供することができる。
なお、正孔の活性化率を増大させることを考慮すると、コンタクト層１５Ｂは、歪を受けた状態で形成されていることが好ましい。すなわち、発光構造層であるｎ型半導体層１２乃至ｐ型半導体層１５は、擬似格子整合した状態でエピタキシャル成長されていることが好ましい。従って、本実施例のように、ｎ型半導体層１２、活性層１３、電子ブロック層１４及びｐ型半導体層１５は、成長用基板１１としての単結晶のＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長された半導体層であることが好ましい。また、同様に、コンタクト層１５Ｂは、ＡｌＩｎＧａＮの組成を有することが好ましい。
また、より良好なオーミックコンタクトを形成することを考慮すると、コンタクト層１５Ｂ（特にｐ電極１７に接する界面の近傍）は、比較的高いドーパント濃度を有することが好ましい。例えば、コンタクト層１５Ｂは、ｐ型クラッド層１５Ａ以上のドーパント濃度を有することが好ましい。また、コンタクト層１５Ｂは、ｐ型クラッド層１５Ａよりも高いドーパント濃度を有していることが好ましい。
また、例えば、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７との界面近傍、すなわちトンネルコンタクト層１５ＢＴにおいて最も高いドーパント濃度を有することが好ましい。この場合、コンタクト層１５Ｂの全体がｐ型半導体層１５Ａよりも高いドーパント濃度を有している必要はない。
例えば、コンタクト層１５Ｂは、トンネルコンタクト層１５ＢＴ以外の領域、例えばトンネルコンタクト層１５ＢＴよりもｐ型クラッド層１５Ａ側の領域において、ｐ型クラッド層１５Ａ以下又は未満のドーパント濃度を有していてもよい。すなわち、例えば、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７との界面近傍においてｐ型クラッド層１５Ａよりも高いドーパント濃度を有していることが好ましい。
図７は、発光素子１０内における光の進路を模式的に示す図である。なお、図７においては、説明上、発光素子１０内において活性層１３からｐ型半導体層１５に向かって放出された光（符号ＥＬ）の進路のみを示している。
本実施例においては、コンタクト層１５ＢがＡｌＧａＮの組成を有する。また、コンタクト層１５Ｂは、活性層１３の井戸層１３Ａよりも大きなＡｌ組成よりも大きなＡｌ組成を有する。従って、コンタクト層１５Ｂは、井戸層１３Ａよりも大きなバンドギャップを有する。
従って、コンタクト層１５Ｂは、活性層１３から放出された光（符号ＥＬ）、すなわち井戸層１３Ａのバンドギャップに対応する波長の光（本実施例においては深紫外領域の光）に対して、ほとんど吸収性を有しない。従って、光（符号ＥＬ）の大部分は、コンタクト層１５Ｂを透過する。また、本実施例においては、ｎ型半導体層１２、電子ブロック層１４及びｐ型半導体層１５の全体が活性層１３からの放出光に対して透光性を有する。
また、本実施例においては、ｐ電極１７は、活性層１３から放出された光に対して反射性を有する。従って、ｐ型半導体層１５を透過した光（符号ＥＬ）は、ｐ電極１７によって、ｎ型半導体層１２（成長用基板１１）に向けて反射される。また、本実施例においては、成長用基板１１は、ＡｌＮの組成を有する。従って、活性層１３から放出された光の大部分は、発光素子１０内で吸収されることなく、成長用基板１１を介して外部に取り出される。
すなわち、本実施例においては、成長用基板１１のｎ型半導体層１２とは反対側の表面は、発光素子１０における光取り出し面として機能する。そして、この光取り出し面からは、高い効率で光が出射することとなる。
上記したように、本実施例においては、発光素子１０がｐ電極１７との界面において組成が徐々に変化するコンタクト層１５Ｂを有する。従って、発光構造層と電極とが良好なオーミックコンタクトを形成することができる。従って、駆動電圧の増加を抑制することができ、かつ光吸収の少ないコンタクト層１５Ｂを形成することができる。
また、ｐ電極１７が反射性を有することによって、活性層１３からの放出光を高効率で光取り出し面から取り出すことができる。従って、高い発光効率及び光取出し効率な発光素子１０を提供することができる。
なお、本実施例においては、ｐ電極１７は、良好なオーミックコンタクトを形成すること、及び高い反射性を有することが好ましい。従って、例えば、ｐ電極１７の材料としては、発光素子１０の発光波長に対応するバンドギャップエネルギーと仕事関数との関係、並びに当該発光波長に対する反射性を考慮して選定すればよい。
例えば、上記したように、ｐ電極１７の材料としては、Ｒｈ又はＲｕなどが挙げられる。また、ｐ電極１７の材料としては、当該発光波長への反射性を有する材料に限らず、極めて薄くすることで透光性を確保することができる電極材料であってもよい。例えば、ｐ電極１７は、ＩＴＯなどの金属酸化物並びにＮｉ及びＡｕなどの金属上に、高い反射率を有するＡｌなどが積層された積層体であってもよい。
このように、本実施例においては、発光素子１０は、紫外領域に発光波長帯域を有し、ｐ型半導体層１５がｐ電極１７との界面において組成が徐々に変化するコンタクト層１５Ｂを有する。また、ｐ電極１７が当該紫外領域の光に対して反射性を有する。従って、高出力な発光素子１０を提供することができる。
図８は、実施例２に係る発光素子２０のバンド図である。発光素子２０は、ｐ型半導体層２１の構成を除いては、発光素子１０と同様の構成を有する。また、ｐ型半導体層２１は、コンタクト層２１Ａの構成を除いては、ｐ型半導体層１５と同様の構成を有する。
本実施例においては、コンタクト層２１ＡにおけるＡｌ組成ｙの減少率は、ｐ型クラッド層１５Ａとの界面から、徐々に減少している。なお、コンタクト層２１Ａにおけるｐ型クラッド層１５Ａ側の組成及びｐ電極１７側の組成は、コンタクト層１５Ｂと同様である。従って、コンタクト層２１Ａは、図８に示すようなバンドギャップを示す。
本実施例のように、ｐ電極１７との界面に向かって減少率を徐々に下げながらＡｌ組成ｙを減少させることによっても、コンタクト層２１Ａ内における正孔の活性化率を増大させることができる。従って、ｐ電極１７との間で良好なオーミックコンタクトを形成することができる。従って、高出力な発光素子２０を提供することができる。
図９は、実施例３に係る発光素子３０のバンド図である。発光素子３０は、ｐ型半導体層３１の構成を除いては、発光素子１０と同様の構成を有する。また、ｐ型半導体層３１は、コンタクト層３１Ａの構成を除いては、ｐ型半導体層１５と同様の構成を有する。
本実施例においては、コンタクト層３１ＡにおけるＡｌ組成ｙの減少率は、ｐ型クラッド層１５Ａとの界面から、徐々に増加している。コンタクト層３１Ａにおけるｐ型クラッド層１５Ａ側の組成及びｐ電極１７側の組成は、コンタクト層１５Ｂと同様である。従って、コンタクト層３１Ａは、図９に示すようなバンドギャップを示す。
本実施例のように、ｐ電極１７との界面に向かって減少率を徐々に上げながらＡｌ組成ｙを減少させることによっても、コンタクト層３１Ａ内における正孔の活性化率を増大させることができる。従って、ｐ電極１７との間で良好なオーミックコンタクトを形成することができる。従って、高出力な発光素子３０を提供することができる。
上記した実施例２及び３のコンタクト層２１Ａ及び３１Ａのように、コンタクト層１５Ａは、変化率が変化しつつ、徐々にＡｌ組成ｙが減少するように構成されていてもよい。このようにコンタクト層１５Ｂを構成しても、ｐ電極１７との界面にトンネルコンタクト層１５ＢＴと同様なトンネルコンタクト層が形成される。従って、ｐ型半導体層１５、２１及び３１とｐ電極１７と間で良好なオーミックコンタクトが形成される。従って、高出力な発光素子１０、２０及び３０を提供することができる。
なお、上記した実施例は一例に過ぎない。例えば、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１Ａは、その全体で活性層１３の井戸層１３Ａよりも大きなＡｌ組成ｙ（すなわちバンドギャップ）を有する。しかし、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａは、部分的に井戸層１３Ａよりも小さなＡｌ組成ｙを有していてもよい。例えば、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７との界面の近傍では井戸層１３Ａよりも小さなＡｌ組成ｙを有していてもよい。この場合でも、大部分の光はコンタクト層１５Ｂを透過することとなり、高い光取出し効率を得ることができる。
また、上記においては、ｐ型半導体層１５、２１及び３１の各々がｐ型クラッド層１５Ａとして一定のＡｌ組成ｕを有するＡｌＧａＮ層を有する場合について説明した。しかし、ｐ型半導体層１５、２１及び３１の構成はこれに限定されない。
例えば、ｐ型クラッド層１５Ａは、Ａｌ組成ｕが徐々に変化するＡｌＧａＮの組成を有する組成傾斜層であってもよい。この場合、ｐ型半導体層１５の全体がクラッド層及びコンタクト層として機能することとなる。すなわち、ｐ型半導体層１５は、クラッド層としてのみ機能するｐ型クラッド層１５Ａを有していなくてもよい。
なお、ｐ型クラッド層１５Ａを形成する場合、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１ＡのＡｌ組成ｙは、オーミックコンタクトを形成することを考慮すると、ｐ型クラッド層１５ＡのＡｌ組成ｕよりも大きな変化率で変化していることが好ましい。
換言すれば、ｐ型半導体層１５、２１又は３１は、ｐ電極１７上に形成され、ｐ電極１７との界面に向かって徐々にＡｌ組成ｙが小さくなるＡｌＧａＮ層からなるコンタクト層１５Ｂ、２１又は３１Ａを有していればよい。また、コンタクト層１５Ｂのように、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１Ａは、ｐ電極１７に接触し、トンネル接合によってｐ電極１７に接続されたトンネルコンタクト層１５ＢＴを有していればよい。
なお、発光効率を安定して向上させることを考慮すると、ｐ型クラッド層１５Ａが設けられていることが好ましい。例えば、ｐ型半導体層１５、２１又は３１は、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａよりも活性層１３側に形成され、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａよりも高いドーパント濃度を有するｐ型クラッド層１５Ａを有することが好ましい。
しかし、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａは、ｐ電極１７との界面においては、ｐ型クラッド層１５Ａよりも高いドーパント濃度を有していてもよい。この場合、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａのドーパント濃度は、例えば、それぞれの層内で（例えばｐ型クラッド層１５Ａに向かって）変化し、ｐ電極１７との界面近傍以外の領域ではｐ型クラッド層１５Ａ以下またはこれよりも小さくなっていてもよい。このように層内でドーパント濃度を変化させる場合であっても、ｐ型クラッド層１５Ａは、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａよりも高いドーパント濃度を有していることが好ましい。
また、上記においては、ｐ型半導体層１５、２１及び３１が電子ブロック層１４上に形成されている場合について説明した。しかし、電子ブロック層１４、すなわち電子ブロック層として機能する半導体層が設けられず、活性層１３上にｐ型半導体層１５、２１又は３１が形成されていてもよい。この場合、例えば、ｐ型半導体層１５、２１又は３１は、活性層１３との界面近傍において、Ｇａを含んでいなくてもよい。すなわち、ｐ型半導体層１５、２１又は３１は、部分的にＡｌＮの組成を有していてもよい。
また、上記においては、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１ＡがＡｌＧａＮの組成を有する場合について説明した。しかし、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１Ａの組成はこれに限定されない。
例えば、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１Ａは、ｐ電極１７との界面に向かって徐々にバンドギャップが小さくなるような組成を有していればよい。例えば、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａは、ＡｌＩｎＧａＮの組成を有してればよい。すなわち、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａは、Ｉｎを含んでいてもよい。この場合、Ａｌ及びＩｎの組成を調節することで、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａ内におけるバンドギャップが調節されていればよい。
例えば、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａは、ｐ電極１７との界面に向かってＡｌ組成が徐々に小さくなり、かつＩｎ組成が徐々に大きくなるＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。また、例えば、コンタクト層１５Ｂ、２１Ａ又は３１Ａは、ｐ電極１７との界面に向かってＡｌ組成が徐々に小さくなるＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよい。
このようにコンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１Ａを構成した場合であっても、正孔の活性化率が増大し、空乏層が薄くなることが期待できる。従って、良好なオーミックコンタクトによって高効率な電流注入を行うことができ、高い発光効率な発光素子１０、２０又は３０を得ることができる。
換言すれば、ｐ型半導体層１５、２１又は３１は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有していればよい。そして、コンタクト層１５Ａ、２１Ａ又は３１Ａは、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有していればよい。
また、上記においては、ｐ電極１７が活性層１３からの放出光に対して反射性を有する場合について説明した。しかし、ｐ電極１７の構成はこれに限定されない。ｐ電極１７は、ｐ型半導体層１５、２１又は３１上に形成されていればよい。そして、ｐ型半導体層１５、２１及び３１がｐ電極１７に接するコンタクト層１５Ｂ、２１Ａ及び３１Ａを有していればよい。これによって、ｐ型半導体層１５、２１及び３１とｐ電極１７との間で良好なオーミックコンタクトが形成され、またｐ電極１７が活性層１３からの放出光に対して反射性を持つことによって、高い発光効率を得ることができる。
上記したように、例えば、発光素子１０は、ＡｌＧａＮの組成を有するｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に形成され、ＡｌＧａＮ系半導体からなる活性層１３と、活性層１３上に形成され、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有するｐ型半導体層１５と、ｐ型半導体層１５上に形成されたｐ電極１７を有する。
また、ｐ型半導体層１５は、ｐ電極１７上に形成され、ｐ電極１７との界面に向かってバンドギャップが小さくなるＡｌＧａＮ層又はＡｌＩｎＧａＮ層からなるコンタクト層１５Ｂを有する。また、コンタクト層１５Ｂは、ｐ電極１７に接触し、トンネル接合によってｐ電極１７に接続されたトンネルコンタクト層１５ＢＴを有する。また、発光素子２０及び３０は、コンタクト層１５と同様のコンタクト層２１Ａ及び３１Ａを有する。従って、高出力な紫外領域の発光素子１０、２０及び３０を提供することができる。
１０、２０、３０ 半導体発光素子
１２ ｎ型半導体層
１３ 活性層
１５、２１、３１ ｐ型半導体層
１５Ｂ、２１Ａ、３１Ａ コンタクト層

Claims (10)

  1. ピーク波長を２００ｎｍ～３６５ｎｍの紫外領域に持つ発光波長帯域を有する半導体発光素子であって、
    ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有するｎ型半導体層と、
    前記ｎ型半導体層上に形成され、ＡｌＧａＮ系半導体又はＡｌＩｎＧａＮ系半導体からなる活性層と、
    前記活性層上に形成され、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの組成を有するｐ型半導体層と、
    前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極と、を有し、
    前記ｐ型半導体層は、前記ｐ電極との界面に形成され、前記ｐ電極との界面に向かってＡｌ組成が減少することによってバンドギャップが連続的に小さくなるＡｌＧａＮ層からなるコンタクト層を有し、
    前記コンタクト層は、前記ｐ電極に接触し、トンネル接合によって前記ｐ電極に接続されたトンネルコンタクト層を有し、
    前記コンタクト層の前記ｐ電極との界面に向かうＡｌ組成の減少率は、０．０００８ｎｍ－１～０．０５ｎｍ－１であり、
    前記活性層は、井戸層及び前記井戸層よりも大きなバンドギャップの障壁層を含む量子井戸構造を有し、
    前記井戸層は、Ａｌ ｘ１ Ｇａ １－ｘ１ Ｎで表されるＡｌＧａＮ層からなり、かつ、Ａｌ組成が０．５またはそれ以上であり、
    前記コンタクト層のバンドギャップは、前記井戸層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップの範囲で変化することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記ｐ電極は、前記活性層から放出された光に対して反射性を有するＮｉ層及びＡｕ層の積層体、Ｐｔ層若しくはＰｄ層とＡｕ層との積層体、ＩＴＯ上にＡｌを積層した積層体、Ｒｈ層又はＲｕ層のいずれかであ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ｐ型半導体層は、前記井戸層よりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記ｎ型半導体層、前記活性層及び前記ｐ型半導体層は、単結晶のＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長された半導体層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
  5. 前記ｐ型半導体層は、前記コンタクト層よりも前記活性層側に形成されたｐ型クラッド層を有し、
    前記コンタクト層は、前記ｐ電極との界面近傍において前記ｐ型クラッド層よりも高いドーパント濃度を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  6. 前記コンタクト層におけるＡｌ組成の減少率は、前記ｐ電極との界面に向かって減少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。
  7. 前記コンタクト層におけるＡｌ組成の減少率は、前記ｐ電極との界面に向かって増加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。
  8. 前記コンタクト層は２０ｎｍ～６０ｎｍの層厚を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  9. 前記ｎ型半導体層、前記活性層および前記ｐ型半導体層は疑似格子整合していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  10. 前記コンタクト層は、ＡｌｙＧａ１－ｙＮ層(０．６≦ｙ≦０．８)であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
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