窒化物半導体発光素子
【課題】本発明によれば、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率が高い窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層、ｐ型窒化物半導体層をこの順に備えた窒化物半導体発光素子であって、ｐ型窒化物半導体層と接するｐ側窒化物コンタクト層と、ｐ側窒化物コンタクト層と接する透光性電極層とを有し、ｐ側窒化物コンタクト層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、透光性電極層は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層、ｐ型窒化物半導体層をこの順に備えた窒化物半導体発光素子であって、ｐ型窒化物半導体層と接するｐ側窒化物コンタクト層と、ｐ側窒化物コンタクト層と接する透光性電極層とを有し、ｐ側窒化物コンタクト層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、透光性電極層は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に動作電圧が低く、かつ光取り出し効率が高い窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は屈折率が２．５と高いため、窒化物半導体と透光性電極層との界面で全反射が起こりやすい。このため、発光層で発光した光が窒化物半導体発光素子の内部で全反射が起こることとなり、窒化物半導体発光素子の発光効率を低下させる一因となっている。
【０００３】
このような発光効率の低下を抑制するための試みとして、たとえば特許文献１では、透光性電極層に二酸化チタンを用いることにより、窒化物半導体と透光性電極層との界面で全反射を起こりにくくすることを以って、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１の技術について説明すると、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮからなる窒化物半導体は、その屈折率が約２．５程度と比較的高い値であるが、二酸化チタンの屈折率も同様に約２．５程度である。このため二酸化チタンを透光性電極層に用いることにより、窒化物半導体層と透光性電極層との屈折率をマッチングさせることができる。これにより窒化物半導体層と透光性電極層との界面で全反射しにくくなり、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９４３０６号公報
【特許文献２】特開２００７−２２０９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように透光性電極層として二酸化チタンを用いる場合、透光性電極層と窒化物半導体との接触抵抗が高くなることにより、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下するという問題がある。これは、導電性を示す二酸化チタンはｎ型伝導であることにより、コンタクト抵抗が上がるためであると考えられる。
【０００７】
本発明は上記のような現状に鑑みてなされたものであり、透光性電極層と接する窒化物半導体層の構成を工夫することにより、透光性電極層と窒化物半導体との間にトンネルコンタクトを形成することを以って、窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めるとともに、その動作電圧を低下させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層、ｐ型窒化物半導体層をこの順に備えたものであって、ｐ型窒化物半導体層と接するｐ側窒化物コンタクト層と、ｐ側窒化物コンタクト層と接する透光性電極層とを有し、ｐ側窒化物コンタクト層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、透光性電極層は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。
【０００９】
上記のｐ側窒化物コンタクト層は、１０ｎｍ以上の厚みであることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層は、Ｍｇ、ＳｉまたはＧｅのいずれかがドーピングされていることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層は、ｎ型半導体からなるものであってもよい。
【００１０】
ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成は、発光層のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層のＡｌ組成は、ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。
【００１１】
透光性電極層の表面、または透光性電極層上に形成される絶縁層の表面は凹凸形状であることが好ましく、かかる絶縁層は、二酸化チタンからなることが好ましい。
【００１２】
ｐ側窒化物コンタクト層と透光性電極層との間には、導電性酸化物層を有し、かかる導電性酸化物層は、ＩＴＯからなることが好ましく、発光波長の１／４以下の層厚であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率が高い窒化物半導体発光素子を提供することができる。なお、絶縁層とは抵抗率で１×１０4Ωｃｍ以上とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】窒化物半導体の組成に対するバンドギャップと格子定数との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図４】本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。本願の図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表している。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態の窒化物半導体発光素子について図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例を示す模式的な断面図である。
【００１７】
＜窒化物半導体発光素子＞
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、図１に示されるように、基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層３、ｐ型窒化物半導体層４をこの順に備えた窒化物半導体発光素子であって、ｐ型窒化物半導体層４と接するｐ側窒化物コンタクト層５と、ｐ側窒化物コンタクト層５と接する透光性電極層６とを有し、ｐ側窒化物コンタクト層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、透光性電極層６は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。このような構成を有する本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率を高めることができる。
【００１８】
ここで、基板１側から順に、ｎ型窒化物半導体層２、発光層３、およびｐ型窒化物半導体層４の３層はいずれも窒化物半導体からなり、これらの３層のことを窒化物半導体積層体１０という。
【００１９】
なお、本発明において「窒化物半導体」とは、代表的にはＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙは、いずれも０以上１以下）で示される半導体を意味するが、それのみに限られるもの
ではなく、ｎ型化またはｐ型化のために任意の元素を添加したものを含まれる。
【００２０】
本実施の形態において、基板１としては、サファイヤのような絶縁性基板、ＧａＮ、ＳｉＣ等のような導電性基板を用いることができる。
【００２１】
ｎ型窒化物半導体層２およびｐ型窒化物半導体層４は、窒化物半導体からなるものを用いることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層２に用いるｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ等を挙げることができる。ｐ型窒化物半導体層４に用いるドーパントとしては、Ｍｇ、Ｚｎ等を挙げることができるが、ｐ側窒化物コンタクト層５の不純物の活性化率を高めるという観点から、ドーパントとしてＭｇを用いることが好ましい。
【００２２】
＜発光層＞
本実施の形態において、発光層３は、少なくともＡｌxqＧａyqＩｎ1-xq-yqＮ（ｘｑ、ｙｑは、いずれも０以上１以下）からなる井戸層を有し、かかる井戸層のＡｌ組成またはＩｎ組成を変更することにより、任意の発光波長に調整することができる。なお、発光層３の発光波長を調整する手法は、発光層のＡｌ組成およびＩｎ組成を調整する方法のみに限られるものではなく、発光層３の厚さを変更することにより、量子準位を形成するとともに基底準位を変更することを以って、発光波長を変更させることもできる。このような発光層３は、たとえば障壁層および井戸層をそれぞれ各１層以上含む多重量子井戸構造としてもよい。
【００２３】
＜ｐ側窒化物コンタクト層＞
本実施の形態において、ｐ側窒化物コンタクト層５は、その上に形成される透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を下げるために設けられるものである。このようなｐ側窒化物コンタクト層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなることを特徴とする。このような半導体をｐ側窒化物コンタクト層５に用いることにより、透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を低減することができる。
【００２４】
このようなｐ側窒化物コンタクト層５は、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなるものであってもよい。ｐ側窒化物コンタクト層５にＩｎyＧａ1-yＮを用いることにより、ＧａＮに比して仕事関数を小さくすることができ、以ってショットキー障壁の高さを小さくすることができる。しかも、ｐ側窒化物コンタクト層５にＩｎを含むことにより、ＧａＮに対して、バンドギャップが小さくなる。そして、バンドギャップが小さくなることによりトンネリング幅が小さくなり、透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を小さくすることができる。さらに、Ｉｎを含むことにより、ＧａＮに対してピエゾ電界がかかり、これがトンネル接合部の電界と一致する方向にかかるため、トンネル幅が小さくなり、透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を小さくすることができる。
【００２５】
ここで、一般的に用いられるＺｎＯ、ＩＴＯ等のような導電性酸化物の仕事関数は、それぞれ約４．８ｅＶ程度、約４．７ｅＶ程度であるが、本実施の形態においては、透光性電極層６として二酸化チタンを用いる。当該二酸化チタンは、仕事関数が約４．０ｅＶ程度であるため、透光性電極層６の仕事関数は、導電性酸化物を用いる場合よりも低くなり、ｐ側窒化物コンタクト層５をトンネリングしにくくなる。
【００２６】
そこで、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなるｐ側窒化物コンタクト層５を透光性電極層６とのコンタクトに用いることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５の仕事関数が低く、ミスフィット転位を形成することができ、以ってｐ側窒化物コンタクト層５の不純物の活性化率を高めることができる。これによりｐ側窒化物コンタクト層５をトンネリングする確率を高めることができる。
【００２７】
本実施の形態において、ｐ側窒化物コンタクト層５は、１０ｎｍ以上の厚みであることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層５を１０ｎｍ以上の厚みにすることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５が臨界膜厚を超え、ミスフィット転位を生じさせることができる。そして、当該ミスフィット転位がキャリアのパスになり、窒化物半導体積層体１０と透光性電極層６との接触抵抗を下げることができる。
【００２８】
このようなｐ側窒化物コンタクト層５は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｅ等の不純物でドーピングされることが好ましい。このような不純物をｐ側窒化物コンタクト層５に加えることにより、空乏領域の禁制帯内に不純物準位を形成し、キャリアのホッピングが生じることを以って窒化物半導体積層体１０と透光性電極層６との接触抵抗を小さくすることができる。
【００２９】
そして、ｐ側窒化物コンタクト層５は、Ｍｇでドーピングされていることがより好ましい。Ｍｇを用いてｐ側窒化物コンタクト層５をドーピングすることにより、活性化エネルギーが小さくなる。これによりキャリア濃度を高めることができ、以って窒化物半導体積層体１０と透光性電極層６との接触抵抗を下げることができる。
【００３０】
ｐ側窒化物コンタクト層５は、必ずしもｐ型半導体からなる必要はなく、ｎ型半導体からなるものであってもよい。ｐ側窒化物コンタクト層５がｎ型半導体である場合も、ｐ型半導体と同様に不純物準位によるキャリアのホッピングおよびピエゾ電界が生じるため、窒化物半導体発光素子の動作電圧を下げることができる。
【００３１】
ｐ側窒化物コンタクト層５としてＩｎＧａＮを用いる場合、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成は、発光層３のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成が、発光層３のＩｎ組成以上になると、ｐ側窒化物コンタクト層５が光の吸収層として働くことになり、窒化物半導体発光素子の光取り出し効率が低下するため好ましくない。
【００３２】
ここで、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成を小さくするという観点から、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎＧａＮにＡｌを加え、４元混晶であるＡｌＩｎＧａＮとすることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層５にＡｌＩｎＧａＮを用いることにより、バンドギャップを大きくするとともに、下地との格子定数差を大きくすることができる。
【００３３】
図２は、窒化物半導体の組成に対するバンドギャップと格子定数との関係を示すグラフである。図２において、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのバンドギャップはそれぞれ、６．３ｅＶ、３．４ｅＶ、０．８ｅＶであり、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの格子定数はそれぞれ、３．１１Å、３．１８Å、３．５３Åである。
【００３４】
図２に示されるように、ＡｌＮとＧａＮとの格子定数に対するバンドギャップ変化率はＧａＮとＩｎＮとのそれよりも大きいため、ＩｎＧａＮにＡｌを加えることにより、臨界膜厚を大きく変化させることなく、バンドギャップを変化させることができる。これにより同じバンドギャップのＩｎＧａＮに対してＡｌＩｎＧａＮは、格子定数が大きく、かつ臨界膜厚を小さくでき、より小さな層厚で転位によるキャリアパスを確保することができ、以って窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めることができる。
【００３５】
ここで、「臨界膜厚」とは、格子が緩和し始める層厚であり、臨界膜厚よりも膜厚を厚くすることにより、緩和率が大きくなり、ミスフィット転位密度を大きくすることができ、接触抵抗を下げることができると考えられる。
【００３６】
ｐ側窒化物コンタクト層５のＡｌ組成は、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。Ａｌ組成とＩｎ組成との組成比をこのように調整することにより、その格子定数が大きくなって圧縮歪が加わることにより、ピエゾ電界の方向が、空乏層の電界の方向と一致し、ｐ側窒化物コンタクト層５をトンネリングする確率を高めることができる。
【００３７】
＜透光性電極層＞
本実施の形態に用いられる透光性電極層６は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。ここで、透光性電極層６に用いられる二酸化チタンの屈折率は、２．５程度であり、ｐ側窒化物コンタクト層５に用いられる窒化物半導体の屈折率とほぼ同等である。このため、透光性電極層６に二酸化チタンを用いることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と透光性電極層６との界面での全反射を生じにくくすることができ、以って窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００３８】
このような透光性電極層６の表面、または透光性電極層６上に形成される絶縁層（図示せず）の表面は凹凸形状であることが好ましい。このように表面に凹凸形状を形成することにより、二酸化チタンと空気または樹脂などのモールド材料との界面での全反射を生じにくくすることができる。
【００３９】
ここで、上記の絶縁層は、二酸化チタンからなることが好ましい。二酸化チタンはドーパントを含むことにより導電性にすることができるし、ドーパントを含まないことにより絶縁性にすることができる。よって、透光性電極層６に用いられる二酸化チタンをドープすることにより、電流拡散層としての機能を持たせるとともに、絶縁層に用いられる二酸化チタンをドープしないことにより絶縁性にし、当該絶縁層の表面に凹凸を形成することが好ましい。
【００４０】
このように透光性電極層６および絶縁層に二酸化チタンを用いることにより、透光性電極層６と絶縁層との界面での全反射の確率を低減することができる。そして、絶縁層の表面に凹凸が形成されていることにより、絶縁層と空気または樹脂との界面での全反射の確率を低減することができる。これらの全反射の確率を低減させる相乗効果により、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００４１】
＜導電性酸化物層＞
本実施の形態において、ｐ側窒化物コンタクト層５と透光性電極層６との間には、導電性酸化物層（図示せず）を有し、かかる導電性酸化物層は、Ｓｎドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなることが好ましい。この位置に導電性酸化物層を形成することにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と透光性電極層６とのコンタクト抵抗を下げることができ、以って窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００４２】
しかも、ＩＴＯは二酸化チタンよりも仕事関数が大きいため、導電性酸化物層の組成をＩＴＯとして、ＩＴＯを窒化物半導体積層体とのコンタクト層として使用することにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と導電性酸化物層とのコンタクト抵抗を下げることができる。
【００４３】
ここで、導電性酸化物層に用いられるＩＴＯは屈折率が２．０付近であるため、屈折率が約２．５のｐ側窒化物コンタクト層５と、導電性酸化物層との界面では光の全反射が起こりやすい。しかし、導電性酸化物層が発光波長の１／４波長以下の厚さであることにより、その界面で光が全反射することなく導電性酸化物層を光がトンネル（透過）することができる。よって、導電性酸化物層は、発光層３の発光波長の４分の１以下の厚さであることにより、光取り出し効率のロスを少なくすることができる。
【００４４】
基板１としてＧａＮ、ＳｉＣのような導電性基板を用いる場合、窒化物半導体発光素子の上下にｐ電極およびｎ電極を形成することができる。一方、基板としてサファイヤのような絶縁性基板を用いる場合、同一方向にｐ電極およびｎ電極を形成する必要がある。
【００４５】
図３は、基板としてサファイヤを用いる場合の窒化物半導体発光素子の構成を示す模式的な断面図である。サファイヤのような絶縁性基板を用いる場合、図３に示されるように、アノード側からメサエッチングすることにより、ｎ型窒化物半導体層２を露出させた上で、透光性電極層６上にｐ電極７を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層２上にｎ電極８を形成する。
【実施例１】
【００４６】
図４は、本実施例で作製される窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。本実施例では、図４に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子（以下において単に「ＬＥＤ素子」とも記する）を作製する。まず、サファイアからなる基板１１を用意し、その基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。そして、その反応炉内に水素を流しながら基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させることにより、基板１１の表面（Ｃ面）をクリーニングする。
【００４７】
次に、ＭＯＣＶＤ法により基板１１の表面（Ｃ面）上に、ｎ型窒化物半導体層１２を形成する。ｎ型窒化物半導体層１２は、バッファ層、ｎ型窒化物下地層、およびｎ型窒化物コンタクト層からなるものであり、具体的には以下の手順で作製する。
【００４８】
基板１１の温度を５１０℃まで低下させて、反応炉内にキャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびトリメチルガリウム（ＴＭＧ：TriMethylGallium）を流しながら、基板１１の表面（Ｃ面）上に、ＧａＮからなるバッファ層を約２０ｎｍの厚さで積層する。
【００４９】
そして、基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流しながら、バッファ層上に、キャリア濃度が１×１０18／ｃｍ3となるようにＳｉをドーピングしたＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層を６μｍの厚さで積層する。
【００５０】
続いて、キャリア濃度が５×１０18／ｃｍ3となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型窒化物半導体下地層と同様の方法により、ｎ型窒化物半導体下地層上にＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層を０．５μｍの厚さで形成する。以上がｎ型窒化物半導体層１２を形成する工程である。
【００５１】
次に、基板１１の温度を７００℃に低下させた上で、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流しながら、ｎ型窒化物半導体コンタクト層上に４ｎｍの厚さのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層１３ａ、１０ｎｍの厚さのＧａＮからなる障壁層１３ｂ、４ｎｍの厚さのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層１３ａの順に成長させることにより、多重量子井戸構造からなる発光層１３を形成する。なお、発光層１３の形成時において、ＧａＮを成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流していないことは言うまでもない。このとき形成される２層の井戸層１３ａのいずれか一方もしくは両方が発光層として機能する。
【００５２】
次に、基板１１の温度を７００℃のまま維持し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを反応炉内に流しながら、発光層１３上にＧａＮからなる蒸発防止層１４を１５ｎｍの厚さで形成する。
【００５３】
次に、蒸発防止層１４上に、第１のｐ型窒化物半導体層、および第２のｐ型窒化物半導体層からなるｐ型窒化物半導体層１５をＭＯＣＶＤ法により形成する。ここで、ｐ型窒化物半導体層１５を形成する具体的な手順は以下の通りである。
【００５４】
まず、基板１１の温度を９５０℃に上昇させた上で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：TriMethylAluminum）、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＡｌ0.20Ｇａ0.85Ｎからなる第１のｐ型窒化物半導体層を約２０ｎｍの厚さで形成する。
【００５５】
次に、基板１１の温度を９５０℃に保持した上で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流しながら、第１のｐ型窒化物半導体層上に、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度となるようにドーピングしたＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層を８０ｎｍの厚さで形成する。そして、基板１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流しながら、アニーリングを行なう。このようにして、蒸発防止層１４上にｐ型窒化物半導体層１５を形成する。
【００５６】
続いて、基板１１の温度を７００℃に低下させた上で、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、およびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなるｐ側窒化物コンタクト層１６をｐ型窒化物半導体層１５上に任意の層厚で積層する。そして、基板１の温度を７００℃に維持したままで、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流すことにより、アニーリングを行なう。
【００５７】
次に、上記でアニーリングを行なったウェハを反応炉から取り出して、ｐ側窒化物コンタクト層１６の表面に、ニオブが６％の原子濃度でドーピングされた二酸化チタンからなる透光性電極層１７を４００ｎｍの厚さでスパッタ法により形成する。
【００５８】
その後、透光性電極層１７上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成した上で、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）装置を用いて、透光性電極層１７を選択的にエッチングする。このエッチングにより図４のような凹凸パターンを透光性電極層１７に形成するとともに、ｐ側窒化物コンタクト層１６の一部の表面を露出させる。そして、露出したｐ側窒化物コンタクト層１６上の所定の位置にＴｉとＡｌを含むｐ電極１８を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層１２上にｎ電極１９を形成する。以上の各工程により本実施例のＬＥＤ素子を作製する。
【実施例２】
【００５９】
本実施例のＬＥＤ素子は、実施例１のＬＥＤ素子に対して、ｐ側窒化物コンタクト層１６の組成および層厚が異なることを除き、実施例１と同様の方法により作製する。すなわち、本実施例のＬＥＤ素子は、ｐ側窒化物コンタクト層１６の組成としてＡｌ0.03Ｉｎ0.2Ｇａ0.77Ｎを用い、その厚みを１０ｎｍとすることを特徴とする。
【００６０】
本実施例のＬＥＤ素子のｐ側窒化物コンタクト層は、実施例１のＬＥＤ素子のｐ側窒化物コンタクト層１６よりもＩｎ組成が高いことにより、臨界膜厚をより小さくできるため同様の層厚においてもよりミスフィット転位を高密度に発生させることができる。
【００６１】
また、ｐ側窒化物コンタクト層１６がＡｌを含むことによりバンドギャップが大きくなるため、発光層の光吸収を小さくすることができる。
【００６２】
これらの相乗効果により、本実施例のｐ側窒化物コンタクト層１６は、窒化物半導体積層体１０と透光性電極層１７との接触抵抗を下げることができ、以ってＬＥＤ素子の動作電圧を下げるとともに、光取り出し効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００６３】
本実施例のＬＥＤ素子は、実施例１のＬＥＤ素子に対して、ｐ側窒化物コンタクト層と透光性電極層との間に、ＩＴＯからなる導電性酸化物層を８０ｎｍの厚さで形成することを除き、実施例１と同様の方法により作製する。
【００６４】
このように導電性酸化物層を設けることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と導電性酸化物層とのコンタクト抵抗を下げることができ、以って窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００６５】
（比較例１）
本比較例のＬＥＤ素子は、実施例１のＬＥＤ素子に対し、ｐ側窒化物コンタクト層１６を形成しないことを除いては実施例１と同様の方法により作製する。すなわち、ｐ型窒化物半導体層上に、透光性電極層１７を直接形成する。
【００６６】
本比較例のＬＥＤ素子は、窒化物半導体積層体と透光性電極層との間にｐ側窒化物コンタクト層が形成されていないことにより、窒化物半導体積層体と透光性電極層との接触抵抗が高い。このため比較例１の窒化物半導体発光素子は、動作電圧が高く、しかも光取り出し効率が低い。
【００６７】
以上の説明からも明らかなように、実施例１〜３の本発明に係る窒化物半導体発光素子は、比較例１の窒化物半導体発光素子に比し、窒化物半導体発光素子の動作電圧を下げることができるとともに、その光取り出し効率を高めることができる。これは、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ側窒化物コンタクト層を透光性電極層のコンタクト層に使用することによるものと考えられる。
【００６８】
このことから、窒化物半導体積層体と透光性電極層との間にｐ型窒化物コンタクト層を形成することにより、動作電圧を下げることができるとともに、その光取り出し効率を高めることを確認することができる。特に、ｐ側窒化物コンタクト層としてＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを１０ｎｍ以上の層厚で用いることにより、臨界膜厚を超えて、ミスフィット転位を発生させることができ、以って動作電圧を下げることができることが明らかである。
【００６９】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００７０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１，１１ 基板、２，１２ ｎ型窒化物半導体層、３，１３ 発光層、４，１５ ｐ型窒化物半導体層、５，１６ ｐ側窒化物コンタクト層、６，１７ 透光性電極層、７，１８ ｐ電極、８，１９ ｎ電極、１０ 窒化物半導体積層体、１３ａ 井戸層、１３ｂ 障壁層、１４ 蒸発防止層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に動作電圧が低く、かつ光取り出し効率が高い窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は屈折率が２．５と高いため、窒化物半導体と透光性電極層との界面で全反射が起こりやすい。このため、発光層で発光した光が窒化物半導体発光素子の内部で全反射が起こることとなり、窒化物半導体発光素子の発光効率を低下させる一因となっている。
【０００３】
このような発光効率の低下を抑制するための試みとして、たとえば特許文献１では、透光性電極層に二酸化チタンを用いることにより、窒化物半導体と透光性電極層との界面で全反射を起こりにくくすることを以って、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させる技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１の技術について説明すると、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮからなる窒化物半導体は、その屈折率が約２．５程度と比較的高い値であるが、二酸化チタンの屈折率も同様に約２．５程度である。このため二酸化チタンを透光性電極層に用いることにより、窒化物半導体層と透光性電極層との屈折率をマッチングさせることができる。これにより窒化物半導体層と透光性電極層との界面で全反射しにくくなり、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９４３０６号公報
【特許文献２】特開２００７−２２０９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように透光性電極層として二酸化チタンを用いる場合、透光性電極層と窒化物半導体との接触抵抗が高くなることにより、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下するという問題がある。これは、導電性を示す二酸化チタンはｎ型伝導であることにより、コンタクト抵抗が上がるためであると考えられる。
【０００７】
本発明は上記のような現状に鑑みてなされたものであり、透光性電極層と接する窒化物半導体層の構成を工夫することにより、透光性電極層と窒化物半導体との間にトンネルコンタクトを形成することを以って、窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めるとともに、その動作電圧を低下させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層、ｐ型窒化物半導体層をこの順に備えたものであって、ｐ型窒化物半導体層と接するｐ側窒化物コンタクト層と、ｐ側窒化物コンタクト層と接する透光性電極層とを有し、ｐ側窒化物コンタクト層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、透光性電極層は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。
【０００９】
上記のｐ側窒化物コンタクト層は、１０ｎｍ以上の厚みであることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層は、Ｍｇ、ＳｉまたはＧｅのいずれかがドーピングされていることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層は、ｎ型半導体からなるものであってもよい。
【００１０】
ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成は、発光層のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層のＡｌ組成は、ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。
【００１１】
透光性電極層の表面、または透光性電極層上に形成される絶縁層の表面は凹凸形状であることが好ましく、かかる絶縁層は、二酸化チタンからなることが好ましい。
【００１２】
ｐ側窒化物コンタクト層と透光性電極層との間には、導電性酸化物層を有し、かかる導電性酸化物層は、ＩＴＯからなることが好ましく、発光波長の１／４以下の層厚であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率が高い窒化物半導体発光素子を提供することができる。なお、絶縁層とは抵抗率で１×１０4Ωｃｍ以上とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】窒化物半導体の組成に対するバンドギャップと格子定数との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図４】本発明の窒化物半導体発光素子の構成の好ましい一例の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。本願の図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表している。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態の窒化物半導体発光素子について図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例を示す模式的な断面図である。
【００１７】
＜窒化物半導体発光素子＞
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、図１に示されるように、基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層３、ｐ型窒化物半導体層４をこの順に備えた窒化物半導体発光素子であって、ｐ型窒化物半導体層４と接するｐ側窒化物コンタクト層５と、ｐ側窒化物コンタクト層５と接する透光性電極層６とを有し、ｐ側窒化物コンタクト層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、透光性電極層６は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。このような構成を有する本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、動作電圧が低く、かつ光取り出し効率を高めることができる。
【００１８】
ここで、基板１側から順に、ｎ型窒化物半導体層２、発光層３、およびｐ型窒化物半導体層４の３層はいずれも窒化物半導体からなり、これらの３層のことを窒化物半導体積層体１０という。
【００１９】
なお、本発明において「窒化物半導体」とは、代表的にはＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙは、いずれも０以上１以下）で示される半導体を意味するが、それのみに限られるもの
ではなく、ｎ型化またはｐ型化のために任意の元素を添加したものを含まれる。
【００２０】
本実施の形態において、基板１としては、サファイヤのような絶縁性基板、ＧａＮ、ＳｉＣ等のような導電性基板を用いることができる。
【００２１】
ｎ型窒化物半導体層２およびｐ型窒化物半導体層４は、窒化物半導体からなるものを用いることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層２に用いるｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ等を挙げることができる。ｐ型窒化物半導体層４に用いるドーパントとしては、Ｍｇ、Ｚｎ等を挙げることができるが、ｐ側窒化物コンタクト層５の不純物の活性化率を高めるという観点から、ドーパントとしてＭｇを用いることが好ましい。
【００２２】
＜発光層＞
本実施の形態において、発光層３は、少なくともＡｌxqＧａyqＩｎ1-xq-yqＮ（ｘｑ、ｙｑは、いずれも０以上１以下）からなる井戸層を有し、かかる井戸層のＡｌ組成またはＩｎ組成を変更することにより、任意の発光波長に調整することができる。なお、発光層３の発光波長を調整する手法は、発光層のＡｌ組成およびＩｎ組成を調整する方法のみに限られるものではなく、発光層３の厚さを変更することにより、量子準位を形成するとともに基底準位を変更することを以って、発光波長を変更させることもできる。このような発光層３は、たとえば障壁層および井戸層をそれぞれ各１層以上含む多重量子井戸構造としてもよい。
【００２３】
＜ｐ側窒化物コンタクト層＞
本実施の形態において、ｐ側窒化物コンタクト層５は、その上に形成される透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を下げるために設けられるものである。このようなｐ側窒化物コンタクト層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなることを特徴とする。このような半導体をｐ側窒化物コンタクト層５に用いることにより、透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を低減することができる。
【００２４】
このようなｐ側窒化物コンタクト層５は、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなるものであってもよい。ｐ側窒化物コンタクト層５にＩｎyＧａ1-yＮを用いることにより、ＧａＮに比して仕事関数を小さくすることができ、以ってショットキー障壁の高さを小さくすることができる。しかも、ｐ側窒化物コンタクト層５にＩｎを含むことにより、ＧａＮに対して、バンドギャップが小さくなる。そして、バンドギャップが小さくなることによりトンネリング幅が小さくなり、透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を小さくすることができる。さらに、Ｉｎを含むことにより、ＧａＮに対してピエゾ電界がかかり、これがトンネル接合部の電界と一致する方向にかかるため、トンネル幅が小さくなり、透光性電極層６と窒化物半導体積層体１０との接触抵抗を小さくすることができる。
【００２５】
ここで、一般的に用いられるＺｎＯ、ＩＴＯ等のような導電性酸化物の仕事関数は、それぞれ約４．８ｅＶ程度、約４．７ｅＶ程度であるが、本実施の形態においては、透光性電極層６として二酸化チタンを用いる。当該二酸化チタンは、仕事関数が約４．０ｅＶ程度であるため、透光性電極層６の仕事関数は、導電性酸化物を用いる場合よりも低くなり、ｐ側窒化物コンタクト層５をトンネリングしにくくなる。
【００２６】
そこで、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなるｐ側窒化物コンタクト層５を透光性電極層６とのコンタクトに用いることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５の仕事関数が低く、ミスフィット転位を形成することができ、以ってｐ側窒化物コンタクト層５の不純物の活性化率を高めることができる。これによりｐ側窒化物コンタクト層５をトンネリングする確率を高めることができる。
【００２７】
本実施の形態において、ｐ側窒化物コンタクト層５は、１０ｎｍ以上の厚みであることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層５を１０ｎｍ以上の厚みにすることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５が臨界膜厚を超え、ミスフィット転位を生じさせることができる。そして、当該ミスフィット転位がキャリアのパスになり、窒化物半導体積層体１０と透光性電極層６との接触抵抗を下げることができる。
【００２８】
このようなｐ側窒化物コンタクト層５は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｅ等の不純物でドーピングされることが好ましい。このような不純物をｐ側窒化物コンタクト層５に加えることにより、空乏領域の禁制帯内に不純物準位を形成し、キャリアのホッピングが生じることを以って窒化物半導体積層体１０と透光性電極層６との接触抵抗を小さくすることができる。
【００２９】
そして、ｐ側窒化物コンタクト層５は、Ｍｇでドーピングされていることがより好ましい。Ｍｇを用いてｐ側窒化物コンタクト層５をドーピングすることにより、活性化エネルギーが小さくなる。これによりキャリア濃度を高めることができ、以って窒化物半導体積層体１０と透光性電極層６との接触抵抗を下げることができる。
【００３０】
ｐ側窒化物コンタクト層５は、必ずしもｐ型半導体からなる必要はなく、ｎ型半導体からなるものであってもよい。ｐ側窒化物コンタクト層５がｎ型半導体である場合も、ｐ型半導体と同様に不純物準位によるキャリアのホッピングおよびピエゾ電界が生じるため、窒化物半導体発光素子の動作電圧を下げることができる。
【００３１】
ｐ側窒化物コンタクト層５としてＩｎＧａＮを用いる場合、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成は、発光層３のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成が、発光層３のＩｎ組成以上になると、ｐ側窒化物コンタクト層５が光の吸収層として働くことになり、窒化物半導体発光素子の光取り出し効率が低下するため好ましくない。
【００３２】
ここで、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成を小さくするという観点から、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎＧａＮにＡｌを加え、４元混晶であるＡｌＩｎＧａＮとすることが好ましい。ｐ側窒化物コンタクト層５にＡｌＩｎＧａＮを用いることにより、バンドギャップを大きくするとともに、下地との格子定数差を大きくすることができる。
【００３３】
図２は、窒化物半導体の組成に対するバンドギャップと格子定数との関係を示すグラフである。図２において、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのバンドギャップはそれぞれ、６．３ｅＶ、３．４ｅＶ、０．８ｅＶであり、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの格子定数はそれぞれ、３．１１Å、３．１８Å、３．５３Åである。
【００３４】
図２に示されるように、ＡｌＮとＧａＮとの格子定数に対するバンドギャップ変化率はＧａＮとＩｎＮとのそれよりも大きいため、ＩｎＧａＮにＡｌを加えることにより、臨界膜厚を大きく変化させることなく、バンドギャップを変化させることができる。これにより同じバンドギャップのＩｎＧａＮに対してＡｌＩｎＧａＮは、格子定数が大きく、かつ臨界膜厚を小さくでき、より小さな層厚で転位によるキャリアパスを確保することができ、以って窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めることができる。
【００３５】
ここで、「臨界膜厚」とは、格子が緩和し始める層厚であり、臨界膜厚よりも膜厚を厚くすることにより、緩和率が大きくなり、ミスフィット転位密度を大きくすることができ、接触抵抗を下げることができると考えられる。
【００３６】
ｐ側窒化物コンタクト層５のＡｌ組成は、ｐ側窒化物コンタクト層５のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。Ａｌ組成とＩｎ組成との組成比をこのように調整することにより、その格子定数が大きくなって圧縮歪が加わることにより、ピエゾ電界の方向が、空乏層の電界の方向と一致し、ｐ側窒化物コンタクト層５をトンネリングする確率を高めることができる。
【００３７】
＜透光性電極層＞
本実施の形態に用いられる透光性電極層６は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなることを特徴とする。ここで、透光性電極層６に用いられる二酸化チタンの屈折率は、２．５程度であり、ｐ側窒化物コンタクト層５に用いられる窒化物半導体の屈折率とほぼ同等である。このため、透光性電極層６に二酸化チタンを用いることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と透光性電極層６との界面での全反射を生じにくくすることができ、以って窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００３８】
このような透光性電極層６の表面、または透光性電極層６上に形成される絶縁層（図示せず）の表面は凹凸形状であることが好ましい。このように表面に凹凸形状を形成することにより、二酸化チタンと空気または樹脂などのモールド材料との界面での全反射を生じにくくすることができる。
【００３９】
ここで、上記の絶縁層は、二酸化チタンからなることが好ましい。二酸化チタンはドーパントを含むことにより導電性にすることができるし、ドーパントを含まないことにより絶縁性にすることができる。よって、透光性電極層６に用いられる二酸化チタンをドープすることにより、電流拡散層としての機能を持たせるとともに、絶縁層に用いられる二酸化チタンをドープしないことにより絶縁性にし、当該絶縁層の表面に凹凸を形成することが好ましい。
【００４０】
このように透光性電極層６および絶縁層に二酸化チタンを用いることにより、透光性電極層６と絶縁層との界面での全反射の確率を低減することができる。そして、絶縁層の表面に凹凸が形成されていることにより、絶縁層と空気または樹脂との界面での全反射の確率を低減することができる。これらの全反射の確率を低減させる相乗効果により、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００４１】
＜導電性酸化物層＞
本実施の形態において、ｐ側窒化物コンタクト層５と透光性電極層６との間には、導電性酸化物層（図示せず）を有し、かかる導電性酸化物層は、Ｓｎドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）からなることが好ましい。この位置に導電性酸化物層を形成することにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と透光性電極層６とのコンタクト抵抗を下げることができ、以って窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００４２】
しかも、ＩＴＯは二酸化チタンよりも仕事関数が大きいため、導電性酸化物層の組成をＩＴＯとして、ＩＴＯを窒化物半導体積層体とのコンタクト層として使用することにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と導電性酸化物層とのコンタクト抵抗を下げることができる。
【００４３】
ここで、導電性酸化物層に用いられるＩＴＯは屈折率が２．０付近であるため、屈折率が約２．５のｐ側窒化物コンタクト層５と、導電性酸化物層との界面では光の全反射が起こりやすい。しかし、導電性酸化物層が発光波長の１／４波長以下の厚さであることにより、その界面で光が全反射することなく導電性酸化物層を光がトンネル（透過）することができる。よって、導電性酸化物層は、発光層３の発光波長の４分の１以下の厚さであることにより、光取り出し効率のロスを少なくすることができる。
【００４４】
基板１としてＧａＮ、ＳｉＣのような導電性基板を用いる場合、窒化物半導体発光素子の上下にｐ電極およびｎ電極を形成することができる。一方、基板としてサファイヤのような絶縁性基板を用いる場合、同一方向にｐ電極およびｎ電極を形成する必要がある。
【００４５】
図３は、基板としてサファイヤを用いる場合の窒化物半導体発光素子の構成を示す模式的な断面図である。サファイヤのような絶縁性基板を用いる場合、図３に示されるように、アノード側からメサエッチングすることにより、ｎ型窒化物半導体層２を露出させた上で、透光性電極層６上にｐ電極７を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層２上にｎ電極８を形成する。
【実施例１】
【００４６】
図４は、本実施例で作製される窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。本実施例では、図４に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子（以下において単に「ＬＥＤ素子」とも記する）を作製する。まず、サファイアからなる基板１１を用意し、その基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。そして、その反応炉内に水素を流しながら基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させることにより、基板１１の表面（Ｃ面）をクリーニングする。
【００４７】
次に、ＭＯＣＶＤ法により基板１１の表面（Ｃ面）上に、ｎ型窒化物半導体層１２を形成する。ｎ型窒化物半導体層１２は、バッファ層、ｎ型窒化物下地層、およびｎ型窒化物コンタクト層からなるものであり、具体的には以下の手順で作製する。
【００４８】
基板１１の温度を５１０℃まで低下させて、反応炉内にキャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびトリメチルガリウム（ＴＭＧ：TriMethylGallium）を流しながら、基板１１の表面（Ｃ面）上に、ＧａＮからなるバッファ層を約２０ｎｍの厚さで積層する。
【００４９】
そして、基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流しながら、バッファ層上に、キャリア濃度が１×１０18／ｃｍ3となるようにＳｉをドーピングしたＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層を６μｍの厚さで積層する。
【００５０】
続いて、キャリア濃度が５×１０18／ｃｍ3となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型窒化物半導体下地層と同様の方法により、ｎ型窒化物半導体下地層上にＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層を０．５μｍの厚さで形成する。以上がｎ型窒化物半導体層１２を形成する工程である。
【００５１】
次に、基板１１の温度を７００℃に低下させた上で、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流しながら、ｎ型窒化物半導体コンタクト層上に４ｎｍの厚さのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層１３ａ、１０ｎｍの厚さのＧａＮからなる障壁層１３ｂ、４ｎｍの厚さのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層１３ａの順に成長させることにより、多重量子井戸構造からなる発光層１３を形成する。なお、発光層１３の形成時において、ＧａＮを成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流していないことは言うまでもない。このとき形成される２層の井戸層１３ａのいずれか一方もしくは両方が発光層として機能する。
【００５２】
次に、基板１１の温度を７００℃のまま維持し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを反応炉内に流しながら、発光層１３上にＧａＮからなる蒸発防止層１４を１５ｎｍの厚さで形成する。
【００５３】
次に、蒸発防止層１４上に、第１のｐ型窒化物半導体層、および第２のｐ型窒化物半導体層からなるｐ型窒化物半導体層１５をＭＯＣＶＤ法により形成する。ここで、ｐ型窒化物半導体層１５を形成する具体的な手順は以下の通りである。
【００５４】
まず、基板１１の温度を９５０℃に上昇させた上で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：TriMethylAluminum）、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＡｌ0.20Ｇａ0.85Ｎからなる第１のｐ型窒化物半導体層を約２０ｎｍの厚さで形成する。
【００５５】
次に、基板１１の温度を９５０℃に保持した上で、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流しながら、第１のｐ型窒化物半導体層上に、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度となるようにドーピングしたＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層を８０ｎｍの厚さで形成する。そして、基板１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流しながら、アニーリングを行なう。このようにして、蒸発防止層１４上にｐ型窒化物半導体層１５を形成する。
【００５６】
続いて、基板１１の温度を７００℃に低下させた上で、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、およびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ2Ｍｇを反応炉内に流しながら、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなるｐ側窒化物コンタクト層１６をｐ型窒化物半導体層１５上に任意の層厚で積層する。そして、基板１の温度を７００℃に維持したままで、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流すことにより、アニーリングを行なう。
【００５７】
次に、上記でアニーリングを行なったウェハを反応炉から取り出して、ｐ側窒化物コンタクト層１６の表面に、ニオブが６％の原子濃度でドーピングされた二酸化チタンからなる透光性電極層１７を４００ｎｍの厚さでスパッタ法により形成する。
【００５８】
その後、透光性電極層１７上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成した上で、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）装置を用いて、透光性電極層１７を選択的にエッチングする。このエッチングにより図４のような凹凸パターンを透光性電極層１７に形成するとともに、ｐ側窒化物コンタクト層１６の一部の表面を露出させる。そして、露出したｐ側窒化物コンタクト層１６上の所定の位置にＴｉとＡｌを含むｐ電極１８を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層１２上にｎ電極１９を形成する。以上の各工程により本実施例のＬＥＤ素子を作製する。
【実施例２】
【００５９】
本実施例のＬＥＤ素子は、実施例１のＬＥＤ素子に対して、ｐ側窒化物コンタクト層１６の組成および層厚が異なることを除き、実施例１と同様の方法により作製する。すなわち、本実施例のＬＥＤ素子は、ｐ側窒化物コンタクト層１６の組成としてＡｌ0.03Ｉｎ0.2Ｇａ0.77Ｎを用い、その厚みを１０ｎｍとすることを特徴とする。
【００６０】
本実施例のＬＥＤ素子のｐ側窒化物コンタクト層は、実施例１のＬＥＤ素子のｐ側窒化物コンタクト層１６よりもＩｎ組成が高いことにより、臨界膜厚をより小さくできるため同様の層厚においてもよりミスフィット転位を高密度に発生させることができる。
【００６１】
また、ｐ側窒化物コンタクト層１６がＡｌを含むことによりバンドギャップが大きくなるため、発光層の光吸収を小さくすることができる。
【００６２】
これらの相乗効果により、本実施例のｐ側窒化物コンタクト層１６は、窒化物半導体積層体１０と透光性電極層１７との接触抵抗を下げることができ、以ってＬＥＤ素子の動作電圧を下げるとともに、光取り出し効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００６３】
本実施例のＬＥＤ素子は、実施例１のＬＥＤ素子に対して、ｐ側窒化物コンタクト層と透光性電極層との間に、ＩＴＯからなる導電性酸化物層を８０ｎｍの厚さで形成することを除き、実施例１と同様の方法により作製する。
【００６４】
このように導電性酸化物層を設けることにより、ｐ側窒化物コンタクト層５と導電性酸化物層とのコンタクト抵抗を下げることができ、以って窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【００６５】
（比較例１）
本比較例のＬＥＤ素子は、実施例１のＬＥＤ素子に対し、ｐ側窒化物コンタクト層１６を形成しないことを除いては実施例１と同様の方法により作製する。すなわち、ｐ型窒化物半導体層上に、透光性電極層１７を直接形成する。
【００６６】
本比較例のＬＥＤ素子は、窒化物半導体積層体と透光性電極層との間にｐ側窒化物コンタクト層が形成されていないことにより、窒化物半導体積層体と透光性電極層との接触抵抗が高い。このため比較例１の窒化物半導体発光素子は、動作電圧が高く、しかも光取り出し効率が低い。
【００６７】
以上の説明からも明らかなように、実施例１〜３の本発明に係る窒化物半導体発光素子は、比較例１の窒化物半導体発光素子に比し、窒化物半導体発光素子の動作電圧を下げることができるとともに、その光取り出し効率を高めることができる。これは、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ側窒化物コンタクト層を透光性電極層のコンタクト層に使用することによるものと考えられる。
【００６８】
このことから、窒化物半導体積層体と透光性電極層との間にｐ型窒化物コンタクト層を形成することにより、動作電圧を下げることができるとともに、その光取り出し効率を高めることを確認することができる。特に、ｐ側窒化物コンタクト層としてＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを１０ｎｍ以上の層厚で用いることにより、臨界膜厚を超えて、ミスフィット転位を発生させることができ、以って動作電圧を下げることができることが明らかである。
【００６９】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００７０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、光取り出し効率が高く、かつ動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１，１１ 基板、２，１２ ｎ型窒化物半導体層、３，１３ 発光層、４，１５ ｐ型窒化物半導体層、５，１６ ｐ側窒化物コンタクト層、６，１７ 透光性電極層、７，１８ ｐ電極、８，１９ ｎ電極、１０ 窒化物半導体積層体、１３ａ 井戸層、１３ｂ 障壁層、１４ 蒸発防止層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層、ｐ型窒化物半導体層をこの順に備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層と接するｐ側窒化物コンタクト層と、
前記ｐ側窒化物コンタクト層と接する透光性電極層とを有し、
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、
前記透光性電極層は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなる、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、１０ｎｍ以上の厚みである、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、Ｍｇがドーピングされている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、ＳｉまたはＧｅのいずれかがドーピングされている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、ｎ型半導体からなる、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成は、前記発光層のＩｎ組成よりも小さい、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ側窒化物コンタクト層のＡｌ組成は、前記ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成よりも小さい、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記透光性電極層の表面、または該透光性電極層上に形成される絶縁層の表面は凹凸形状である、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記絶縁層は、二酸化チタンからなる、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ側窒化物コンタクト層と前記透光性電極層との間には、導電性酸化物層を有し、
前記導電性酸化物層は、ＩＴＯからなる、請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記導電性酸化物層は、発光波長の１／４以下の層厚である、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層、ＡｌxqＩｎyqＧａ1-xq-yqＮ井戸層を備えた発光層、ｐ型窒化物半導体層をこの順に備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層と接するｐ側窒化物コンタクト層と、
前記ｐ側窒化物コンタクト層と接する透光性電極層とを有し、
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなり、
前記透光性電極層は、ニオブ、タンタル、モリブデン、ヒ素、アンチモン、アルミニウム、またはタングステンからなる群より選択される元素のうち一種以上がドープされた二酸化チタンからなる、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、１０ｎｍ以上の厚みである、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、Ｍｇがドーピングされている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、ＳｉまたはＧｅのいずれかがドーピングされている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ側窒化物コンタクト層は、ｎ型半導体からなる、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成は、前記発光層のＩｎ組成よりも小さい、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｐ側窒化物コンタクト層のＡｌ組成は、前記ｐ側窒化物コンタクト層のＩｎ組成よりも小さい、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記透光性電極層の表面、または該透光性電極層上に形成される絶縁層の表面は凹凸形状である、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記絶縁層は、二酸化チタンからなる、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｐ側窒化物コンタクト層と前記透光性電極層との間には、導電性酸化物層を有し、
前記導電性酸化物層は、ＩＴＯからなる、請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記導電性酸化物層は、発光波長の１／４以下の層厚である、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−６６０４７（Ｐ２０１１−６６０４７Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１３０７２（Ｐ２００９−２１３０７２）
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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