窒化物半導体発光素子
【課題】
従来に比較して順方向電圧を低くできる窒化物半導体素子を提供する。
【課題手段】ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを備え、ｎ側窒化物半導体層にｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有する。
従来に比較して順方向電圧を低くできる窒化物半導体素子を提供する。
【課題手段】ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを備え、ｎ側窒化物半導体層にｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、太陽電池および光センサ、またトランジスタ等の窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子（ＬＥＤ）は、与えられた電気エネルギーを有効に利用するために半導体素子内において電気抵抗を故意に高くする必要がある部分以外はできるだけ抵抗率を小さくかつ、できるだけ電流が効率よく流れる構造にして順方向電圧を下げることが望ましく、これによってLEDの発光効率を向上させることができる。半導体の電気抵抗を低下させるには電流の流れる断面積を大きくすることや、不純物を多くドーピングすることで抵抗率を下げることにより可能である。
【０００３】
一般に、Ｐ型半導体層については、もともと抵抗率が高いことから、電流の流れる距離が短くなるよう設計されている。一方，電流拡散で大きな役割を担っているＮ型半導体層においては高濃度の不純物ドーピングを行うことや絶縁体基板上に成長させて正電極（ｐ電極）と負電極（ｎ電極）を同じ側からとり電流がＮ型半導体層を横に流れる構造のＬＥＤにおいてはＮ型半導体層を厚くすることにより抵抗を下げている。
【０００４】
また、従来のＭＯＣＶＤによるＧａＮ系ＬＥＤ素子においては、例えば、特許文献１等に示すように、発光層（活性層）にＩｎＧａＮが用いられ、Ｎ型半導体層にはＩｎＧａＮやＧａＮにＳｉをドーピングしたものが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２１６４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｎ型半導体層の抵抗を下げるためにＳｉを多くドーピングしていくと、成長途中でピットやクラックなどの問題が発生しやすくなるためＳｉドープ量に限界があり、膜厚にも限界があった。
したがって、従来の窒化物半導体素子は、ｎ側の抵抗を十分低くすることができず、順方向電圧を十分低くすることができなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、従来に比較して順方向電圧を低くできる窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを備え、前記ｎ側窒化物半導体層は前記ｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように構成された本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記ｎ側窒化物半導体層が、前記ｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有しているので、従来に比較して順方向電圧の低い窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図２】本発明に係る第１の変形例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図３】本発明に係る第２の変形例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図４】不純物濃度とＡｌ混晶比に対してピットの有無を評価したグラフである。
【図５】本発明に係る実施例１の窒化物半導体素子について、順方向電流（Ｉｆ）に対する順方向電圧（Ｖｆ）を示すグラフである。
【図６】本発明に係る実施例２の窒化物半導体素子について、順方向電流（Ｉｆ）に対する順方向電圧（Ｖｆ）を示すグラフである。
【図７】本発明に係る実施例３の窒化物半導体素子について、順方向電流（Ｉｆ）に対する順方向電圧（Ｖｆ）を示すグラフである。
【図８】比較例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
＜実施形態＞
本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを含んで構成されており、ｎ側窒化物半導体層にｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有することを特徴としている。
【００１２】
図１には、本発明に係る実施形態の１つの例として、ｎ側コンタクト層４の下面に接して、ｎ側コンタクト層４よりＳｉ不純物濃度の高いｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３が形成された窒化物半導体発光素子を示している。
尚、本明細書において下面とは、基板に近い方の面をいい、上面とは基板から遠い方の面をいう。
【００１３】
図１に示す窒化物半導体発光素子において、バッファ層２はＡｌＧａＮからなり、ｎ側窒化物半導体層は、基板２側から、アンドープＧａＮ層３、ｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層４、ｎ側ＧａＮ複合層６、超格子バッファ層７からなる。また、活性層８は、例えば、井戸層と障壁層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造からなり、ｐ側窒化物半導体層は、ｐ側クラッド層９、ｐ側コンタクト層１０からなる。また、ｎ側コンタクト層４、ｐ側窒化物半導体層、活性層８、超格子バッファ層７及びｎ側ＧａＮ複合層６の一部を除去して露出させたｎ側コンタクト層４の上面にはｎ電極５が形成され、P側コンタクト層１０の上面には例えば透明のPコンタクト電極１１が形成され、そのPコンタクト電極１１の上にはｐパッド電極１２が形成される。
【００１４】
以上のように構成された実施形態の窒化物半導体発光素子は、ｎ側窒化物半導体層において、ｎ側コンタクト層４より抵抗が低いＳｉ不純物濃度の高いｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３を有しているので、ｎ側窒化物半導体層の抵抗を低くすることができ、順方向電圧を低くすることができる。
以下、その理由を具体的に説明する。
尚、本明細書において、ｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３と記載することもある。
【００１５】
図８は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を備えていない比較例の窒化物半導体発光素子の断面図である。この比較例の窒化物半導体発光素子は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を備えていないことを除いて図１の実施形態の窒化物半導体発光素子と同様に構成され、実施形態の窒化物半導体発光素子と同様の要素には同様の符号を付して示している。
【００１６】
また、比較例の窒化物半導体発光素子において、ｎ側コンタクト層４はＳｉがドープされたＧａＮからなり、そのＳｉのドープ量（不純物濃度）と膜厚はｎ側コンタクト層４全体の抵抗値が小さくなるように設定される。すなわち、背景技術のところで説明したように、Ｎ型半導体層の抵抗を下げるためにＳｉを多くドーピングしていくと、成長途中でピットやクラックなどが発生しやすくなるためＳｉドープ量に限界があり、膜厚にも限界がある。このことから、その両者を考慮してｎ側コンタクト層４全体の抵抗値が小さくなるようにＳｉドープ量と膜厚とが設定される。したがって、ｎ側半導体層全体の抵抗値の低減には一定の限界があった。尚、一般に三元混晶のＡｌＧａＮよりも二元混晶のＧａＮの結晶性がよいとされていることから、可視光発光可能な窒化物半導体発光素子の場合、通常はｎ側コンタクト層にＧａＮが用いられる。
【００１７】
これに対して、本発明は、Ｇａの一部をＡｌで置き換えたＡｌＧａＮ層が、ＧａＮに比べてピットやクラックを発生させることなく比較的多くのＳｉをドープすることができることに着目して、ｎ側半導体層にｎ側コンタクト層４とは別にｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を設けた構造になっている。
【００１８】
図４には、ＧａＮとＡｌＧａＮ層のＳｉ不純物濃度に対するピットの発生状況を示している。尚、このピットの発生有無は、サファイア基板上に、アンドープＧａＮ層を介して、ＳｉをドープしたＧａＮ層とＡｌＧａＮ層をそれぞれ成長させたときの表面観察により評価した。
【００１９】
図４に示すように、ＡｌＧａＮ層は、例えば、Ａｌ混晶比が０．０１の場合で見ると、ＧａＮではＳｉ不純物濃度が１．５×１０１９原子／ｃｍ３以上になるとピットが発生するのに対して、Ｓｉ不純物濃度が４．５×１０１９原子／ｃｍ３であってもピットの発生はない。したがって、ＡｌＧａＮ層はピットを発生させることなくＧａＮ層の３倍以上のＳｉ不純物濃度にでき、低抵抗にできることが理解できる。
【００２０】
このように、ＡｌＧａＮ層はピットを発生させることなくＧａＮ層の３倍以上のＳｉ不純物濃度にでき、低抵抗にできるので、ｎ側コンタクト層４とｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とを合わせた電流路の抵抗をｎ側コンタクト層４のみで電流路を形成した比較例に比べて小さくすることができる。さらに、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を設けることにより電流を横方向に広がりやすくすることができ、高密度の電流が局所的に流れることを抑制できる。その結果、窒化物半導体発光素子の順方向電圧を低くすることができる。
【００２１】
本発明において、低抵抗のｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、ｎ側コンタクト層４全体の合計厚みの１／８以上であることが好ましい。厚みが薄いほどn側半導体層の抵抗を下げる効果が小さくなるからである。
【００２２】
以上のように、本発明は、ＡｌＧａＮ層がＧａＮ層より高い濃度にＳｉ不純物をドープでき、低抵抗にできることを利用して、ｎ側コンタクト層４とｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とを合わせた電流路の抵抗を低くするものである。したがって、本発明は、ｎ側コンタクト層４の下面に接して、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を設けた場合に限られるものではなく、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層は、少なくともｎ側窒化物半導体層にあれば、ｎ側窒化物半導体層の抵抗を低くすることができる。また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層は、ｎ側コンタクト層のどちら側、すなわち活性層８とｎ側コンタクト層４の間にあってもよいし、ｎ側コンタクト層４と基板１の間（ｎ側コンタクト層がＡｌＧａＮ層と活性層との間）にあってもよい。しかしながら、本発明において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３は、ｎ電極からの距離が短いことが好ましい。したがって、より好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３は、ｎ側コンタクト層４の上面若しくは下面に接することが良い。
ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３がｎ側コンタクト層４の下側にある場合、両者の間に他の層が介在すると、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３まで電流が届かない可能性がある。そこで、係る場合はｎ側コンタクト層４とｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とが接していることが好ましい。
図２には、図１に比較して、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３がｎ電極５に近い例を示し、図３には、ｎ側コンタクト層４の上面に接してｎ＋ＡｌＧａＮ層１３が形成されている例を示している。尚、図２に示す例では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の基板側に接して、例えば、ｎ側コンタクト層４と同一組成の下地層１４を設けている。
以上のように、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、種々の位置に形成できるので、目的に応じて適切な位置に形成することができる。
【００２３】
例えば、基板を残したままｐ型電極とｎ型電極を同じ側からとる構造の場合、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３がｎ側コンタクト層４の上に（活性層との間に）接して形成されると、順方向電圧低減の効果がより大きくなる。また、上層に形成する活性層等の結晶性を高く保って，高温動作時の光出力低下を重視する場合は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の位置をｎ側コンタクト層の下面に接して設けることが望ましくその場合でも順電圧低減効果は得られる。
【００２４】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、順方向電圧の低減が可能となり、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。特にｎ側の層での電力損失が多くなる高電流動作では、ｎ側の層での電力損失は投入電流の二乗に比例して増大するので、順電圧低減効果や発光効率の低減効果が大きい。
【００２５】
以下、実施形態の窒化物半導体発光素子における、各層について説明する。
【００２６】
＜バッファ層＞
バッファ層２は、基板１と窒化物半導体層との格子定数等の違いにより生じる歪による応力を緩和する層であり、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる。
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ以外に、例えば、ＡｌＮなども用いることができる。
【００２７】
＜アンドープＧａＮ層３＞
アンドープＧａＮ層３は、バッファ層に生じたピットを減少させるためピット埋め込み層であり、例えば、３μｍの厚さに形成される。
【００２８】
＜ｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３＞
ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、上述したように、ｎ側コンタクト層４とともにｎ側において横方向に電流を拡散する電流路を形成し、電流路全体の抵抗を低下させる。Ａｌ混晶比は、好ましくは、０．０３≧ｘ＞０、より好ましくは、０．０２≧ｘ≧０．００５に設定される。Ａｌ混晶比が高くなり過ぎると、結晶性が低下すると共にＡｌの面内組成分布が悪化してＡｌが不足する部位が発生し、Ａｌ混晶比が低すぎると、ピットの発生を抑える効果が低下する。これらのことを考慮すると、最も好ましいＡｌ混晶比は、０．０１程度である。ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の膜厚は、薄いとｎ側半導体層全体の抵抗を低下させる効果が小さくなり、厚いと反応中のウエハの反りが大きくなるなどの問題があるために、ｎ＋ＡｌＧａＮ層の膜厚ｔは、３.０μｍ≧ｔ≧０．０５μｍ、より好ましくは、２μｍ≧ｔ≧１μｍの範囲に設定される。
また、Ｓｉ不純物濃度は、ｎ側コンタクト層４より高い値であってかつ好ましくは、１．１８×１０１９原子／ｃｍ３〜５．６×１０１９原子／ｃｍ３の範囲、より好ましくは２×１０１９原子／ｃｍ３〜４×１０１９原子／ｃｍ３の範囲に設定される。
【００２９】
また、このｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されるが、膜厚を均一にするために、キャリアガスであるＨ２をＧａＮを成長させる際の２倍程度流すことが望ましい。Ａｌの原料ガスは、例えば、ＴＭＡであり、その流量によりＡｌ混晶比を調整することができる。さらに、Ａｌ面内組成分布を良好にするにはｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長速度を３０ｎｍ／ｍｉｎ程度とすることが望ましい。また、Ｓｉ不純物濃度はＳｉの原料ガスの流量比により調整する。
【００３０】
＜ｎ側コンタクト層４＞
ｎ側コンタクト層４は、ｎ電極５が形成される層である。ｎ側コンタクト層４は、ｎ電極と良好なオーミック接触を実現するため、好ましくは、ＳｉがドープされたＧａＮからなり、Ｓｉ不純物濃度は高い方が好ましいが、ピットの発生を抑えて比較的厚く形成するために、好ましくは、８×１０１８原子／ｃｍ３〜１．３２×１０１９原子／ｃｍ３の範囲に設定される。また、ｎ側コンタクト層４の膜厚は、１μｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
＜ｎ側ＧａＮ複合層６＞
ｎ側ＧａＮ複合層６は、低い順方向電圧と高い耐圧特性を得るために形成される層である。例えば、アンドープＧａＮ層と、SiドープＧａＮ層及びアンドープＧａＮ層を順に積層させた複合膜とすることができる。複合膜を構成する個々の膜厚は限定されないが、５〜５００ｎｍが適しており、好ましくは、５〜３００ｎｍが良い。
【００３２】
＜超格子バッファ層７＞
超格子バッファ層７は、活性層と超格子バッファ層７より下に形成されたＧａＮ層との間の緩衝層である。例えば、ＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層からなる多層膜とすることができる。多層膜は、全体がアンドープでも良いし、ＧａＮのみにＳｉドープしても良い。多層膜を構成する個々の膜厚は限定されないが、１〜５ｎｍが適している。
【００３３】
＜活性層８＞
活性層８は、例えば、井戸層と障壁層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造からなり、例えば、井戸層は、所望の発光波長の光に応じてＩｎの混晶比が設定されたＩｎＧａＮからなる。また、障壁層は、井戸層よりＩｎの混晶比が小さいＩｎＧａＮ、ＧａＮ又はそれらにＡｌが含まれた組成からなる。
【００３４】
＜ｐ側クラッド層９＞
ｐ側クラッド層９は、電子をブロックするｐ側の障壁層であり、例えば、膜厚が、１０〜３０ｎｍのＭｇドープのＡｌｙＧａ１−ｙＮ（１≧ｙ≧０）からなる。
【００３５】
＜ｐ側コンタクト層１０＞
ｐ側コンタクト層１０は、ｐコンタクト電極１１が設けられる層であり、例えばＭｇドープＧａＮ層からなる。
【００３６】
＜ｎ電極５＞
ｎ電極５は、ｎ側コンタクト層４との間でオーミックコンタクトをとる電極である。ｎ電極の材料は、限定されないが、例えばｎ側コンタクト層４側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕの３層構造とすることができる。
【００３７】
＜ｐコンタクト電極１１＞
ｐコンタクト電極１１は、例えば、ＩＴＯ等の透明電極からなり、Pコンタクト電極１１を介して光が出射される。
【００３８】
＜ｐパッド電極１２＞
ｐパッド電極１２は、限定されないが、電極形成工程の短縮化の観点から、ｎ電極と同じ材料、すなわちｎ側コンタクト層４側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕの３層構造とすることができる。
尚、図１〜図３に示した窒化物半導体発光素子は、いずれもｐ型電極とｎ型電極とを同一面側に形成して両電極が同一方向から接続されるように構成した例で示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ｐ型電極が素子の上面に形成され、ｎ型電極が素子の下面に形成された窒化物半導体発光素子であっても適用することができる。
【実施例】
【００３９】
次に、本発明に係る実施例について説明する。
実施例１．
実施例１では、例えば、ヘッドライト用に使用される１ｍｍ角の窒化物半導体発光素子を以下のようにして作製した。
【００４０】
実施例１では、まず、サファイアからなる基板１の上に膜厚２０μｍのＡｌＧａＮのバッファ層２と、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層３を形成した。
次に、アンドープＧａＮ層３の上にｎ側窒化物半導体層を構成する以下の層を順に成長させた。
（１）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３：
実施例１では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ混晶比ｘは、０．０１とし、Ｓｉ不純物濃度は、３．４×１０１９原子／ｃｍ３になるようにした。
ここで、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長レートは、比較的低い３０ｎｍ／ｍｉｎに設定して、１μｍの厚さに成長させた。
（２）ｎ側コンタクト層４：
ｎ側コンタクト層４は、膜厚が３μｍのＳｉドープＧａＮとし、Ｓｉ不純物濃度は、１．０×１０１９原子／ｃｍ３になるように調整した。
（３）ｎ側ＧａＮ複合層６：
ｎ側ＧａＮ複合層６は、０．３μｍのアンドープＧａＮ層、０．０３μｍの微量ＳｉドープＧａＮ層、０．００５μｍとアンドープＧａＮを順に成長させた３層構造とした。
（４）超格子バッファ層７：
超格子バッファ層７は、ｎ側窒化物半導体層の最後の層であり、５ｎｍのＧａＮ層、４ｎｍのアンドープＧａＮ層、２ｎｍのアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層をその順に繰り返しそれぞれ２０層となるように積層した。
【００４１】
次に、ｎ側窒化物半導体層（超格子バッファ層７）の上に、活性層８を形成した。
活性層８は、膜厚４ｎｍのアンドープＧａＮの障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎ0.3Ｇａ0.7Nの井戸層とを繰り返し交互に９層ずつ積層し、最後に障壁層を積層した多重量子井戸構造とした。
【００４２】
次に、活性層８の上に、ｐ側窒化物半導体層を構成する以下の層を順に成長させた。
（５）ｐ側クラッド層（ｐ側障壁層）９：
ｐ側クラッド層として、厚さが１２ｎｍのＭｇドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を形成した。ｐ側クラッド層のＭｇ不純物濃度は、１×１０２０原子／ｃｍ３とした。
（６）ｐ側コンタクト層１０：
ｐ側コンタクト層として、膜厚３２ｎｍのアンドープのＧａＮ層、膜厚３２ｎｍのＭｇ不純物濃度１×１０２０原子／ｃｍ３のＧａＮ層及び膜厚１５ｎｍのＭｇ不純物濃度５×１０２０原子／ｃｍ３のＧａＮ層を順に形成した。
このｐ側コンタクト層を形成した後、Ｎ２とＯ２雰囲気で熱処理（６００℃）することでｐ側窒化物半導体層を低抵抗化した。
【００４３】
次に、上面からｎ側窒化物半導体層への電気的接続を行うためにｐ側窒化物半導体層及び活性層の一部をエッチングで除去し、露出させたｎ側型コンタクト層４の表面にｎ電極５を形成した。
ｎ電極５は、Ｔｉ（１.５ｎｍ）／Ｒｈ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）の３層構造とした。
【００４４】
さらに、ｐ側コンタクト層１０の上に、ｐコンタクト電極１１として、厚さ１７０ｎｍのＩＴＯを形成し、ｐコンタクト電極１１の上に、pパッド電極１２を形成した。
pパッド電極１２は、ｎ電極５と同様、Ｔｉ（１.５ｎｍ）／Ｒｈ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）の３層構造とした。
【００４５】
以上のようにして、発光波長約４６０ｎｍの青色ＬＥＤである実施例１の窒化物半導体発光素子を作製した。
【００４６】
実施例２．
実施例２では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長レートは、７５ｎｍ／ｍｉｎに設定した以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。
【００４７】
比較例１．
比較例１では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することなく、ｎ側コンタクト層４としてＳｉ不純物濃度が１．０×１０１９原子／ｃｍ３のＳｉドープＧａＮを、４μｍの厚さに形成した点を除いて実施例１と同様に１ｍｍ角の窒化物半導体発光素子を作製した。
【００４８】
以上のようにして作製した実施例１、２及び比較例１の順方向電圧（Ｖｆ）及び電力効率Wall-plug Efficiency（ＷＰＥ）を評価した。
その結果を、図５及び図６のグラフと表１に示す。
【００４９】
表１
【００５０】
以上の結果から、（ａ）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することにより、順方向電圧を低くできること、（ｂ）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長レートが低いほど順方向電圧を低下させる効果が大きいこと、（ｃ）順方向電流が大きいほど、順方向電圧を低下させる効果が大きいことがわかる。
【００５１】
実施例３．
実施例３では、５００μｍ×２９０μｍの窒化物半導体発光素子を以下のようにして作製した。
実施例３の窒化物半導体発光素子の半導体積層構造は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とｎ側コンタクト層４の膜厚が実施例１に比較して異なっている以外は、実施例１と同様にした。
具体的には、
ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３について、Ａｌ混晶比ｘは、０．０１とし、Ｓｉ不純物濃度は、３．４×１０１９原子／ｃｍ３になるようにして、２μｍの厚さに形成した。
また、ｎ側コンタクト層４については、膜厚が２μｍのＳｉドープＧａＮとし、Ｓｉ不純物濃度は、１．０×１０１９原子／ｃｍ３になるように調整した。
【００５２】
比較例２．
比較例２として、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することなく、Ｓｉ不純物濃度が１．０×１０１９原子／ｃｍ３のＳｉドープＧａＮを４μｍの厚さに成長させてｎ側コンタクト層４とした以外は、実施例３と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。
【００５３】
以上のようにして作製した実施例３及び比較例２の順方向電圧（Ｖｆ）及び電力効率（ＷＰＥ）を評価した。
その結果を、図７のグラフと表２に示す。
【００５４】
表２
【００５５】
以上の結果から、中型の窒化物半導体発光素子についても、（ａ）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することにより、順方向電圧を低くできること、（ｂ）順方向電流が大きいほど、順方向電圧を低下させる効果が大きいことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、順方向電圧の低減が可能となり、しかも高電流密度になるほどＶｆ低減・効率上昇の効果も大きくなるので、電力損失も小さくできる。これにより、発熱も小さくできるため、特に、高効率固体照明用途に適している。
【符号の説明】
【００５７】
１ 基板
２ バッファ層
３ アンドープＧａＮ層
１３ ｎ＋ＡｌＧａＮ層
４ ｎ側コンタクト層
５ ｎ電極
６ ｎ側ＧａＮ複合層
７ 超格子バッファ層
８ 活性層
９ ｐ側クラッド層
１０ ｐ側コンタクト層
１１ ｐコンタクト電極
１２ ｐパッド電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、太陽電池および光センサ、またトランジスタ等の窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子（ＬＥＤ）は、与えられた電気エネルギーを有効に利用するために半導体素子内において電気抵抗を故意に高くする必要がある部分以外はできるだけ抵抗率を小さくかつ、できるだけ電流が効率よく流れる構造にして順方向電圧を下げることが望ましく、これによってLEDの発光効率を向上させることができる。半導体の電気抵抗を低下させるには電流の流れる断面積を大きくすることや、不純物を多くドーピングすることで抵抗率を下げることにより可能である。
【０００３】
一般に、Ｐ型半導体層については、もともと抵抗率が高いことから、電流の流れる距離が短くなるよう設計されている。一方，電流拡散で大きな役割を担っているＮ型半導体層においては高濃度の不純物ドーピングを行うことや絶縁体基板上に成長させて正電極（ｐ電極）と負電極（ｎ電極）を同じ側からとり電流がＮ型半導体層を横に流れる構造のＬＥＤにおいてはＮ型半導体層を厚くすることにより抵抗を下げている。
【０００４】
また、従来のＭＯＣＶＤによるＧａＮ系ＬＥＤ素子においては、例えば、特許文献１等に示すように、発光層（活性層）にＩｎＧａＮが用いられ、Ｎ型半導体層にはＩｎＧａＮやＧａＮにＳｉをドーピングしたものが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２１６４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｎ型半導体層の抵抗を下げるためにＳｉを多くドーピングしていくと、成長途中でピットやクラックなどの問題が発生しやすくなるためＳｉドープ量に限界があり、膜厚にも限界があった。
したがって、従来の窒化物半導体素子は、ｎ側の抵抗を十分低くすることができず、順方向電圧を十分低くすることができなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、従来に比較して順方向電圧を低くできる窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを備え、前記ｎ側窒化物半導体層は前記ｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように構成された本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記ｎ側窒化物半導体層が、前記ｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有しているので、従来に比較して順方向電圧の低い窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図２】本発明に係る第１の変形例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図３】本発明に係る第２の変形例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図４】不純物濃度とＡｌ混晶比に対してピットの有無を評価したグラフである。
【図５】本発明に係る実施例１の窒化物半導体素子について、順方向電流（Ｉｆ）に対する順方向電圧（Ｖｆ）を示すグラフである。
【図６】本発明に係る実施例２の窒化物半導体素子について、順方向電流（Ｉｆ）に対する順方向電圧（Ｖｆ）を示すグラフである。
【図７】本発明に係る実施例３の窒化物半導体素子について、順方向電流（Ｉｆ）に対する順方向電圧（Ｖｆ）を示すグラフである。
【図８】比較例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
＜実施形態＞
本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを含んで構成されており、ｎ側窒化物半導体層にｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有することを特徴としている。
【００１２】
図１には、本発明に係る実施形態の１つの例として、ｎ側コンタクト層４の下面に接して、ｎ側コンタクト層４よりＳｉ不純物濃度の高いｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３が形成された窒化物半導体発光素子を示している。
尚、本明細書において下面とは、基板に近い方の面をいい、上面とは基板から遠い方の面をいう。
【００１３】
図１に示す窒化物半導体発光素子において、バッファ層２はＡｌＧａＮからなり、ｎ側窒化物半導体層は、基板２側から、アンドープＧａＮ層３、ｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３、ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層４、ｎ側ＧａＮ複合層６、超格子バッファ層７からなる。また、活性層８は、例えば、井戸層と障壁層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造からなり、ｐ側窒化物半導体層は、ｐ側クラッド層９、ｐ側コンタクト層１０からなる。また、ｎ側コンタクト層４、ｐ側窒化物半導体層、活性層８、超格子バッファ層７及びｎ側ＧａＮ複合層６の一部を除去して露出させたｎ側コンタクト層４の上面にはｎ電極５が形成され、P側コンタクト層１０の上面には例えば透明のPコンタクト電極１１が形成され、そのPコンタクト電極１１の上にはｐパッド電極１２が形成される。
【００１４】
以上のように構成された実施形態の窒化物半導体発光素子は、ｎ側窒化物半導体層において、ｎ側コンタクト層４より抵抗が低いＳｉ不純物濃度の高いｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３を有しているので、ｎ側窒化物半導体層の抵抗を低くすることができ、順方向電圧を低くすることができる。
以下、その理由を具体的に説明する。
尚、本明細書において、ｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３と記載することもある。
【００１５】
図８は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を備えていない比較例の窒化物半導体発光素子の断面図である。この比較例の窒化物半導体発光素子は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を備えていないことを除いて図１の実施形態の窒化物半導体発光素子と同様に構成され、実施形態の窒化物半導体発光素子と同様の要素には同様の符号を付して示している。
【００１６】
また、比較例の窒化物半導体発光素子において、ｎ側コンタクト層４はＳｉがドープされたＧａＮからなり、そのＳｉのドープ量（不純物濃度）と膜厚はｎ側コンタクト層４全体の抵抗値が小さくなるように設定される。すなわち、背景技術のところで説明したように、Ｎ型半導体層の抵抗を下げるためにＳｉを多くドーピングしていくと、成長途中でピットやクラックなどが発生しやすくなるためＳｉドープ量に限界があり、膜厚にも限界がある。このことから、その両者を考慮してｎ側コンタクト層４全体の抵抗値が小さくなるようにＳｉドープ量と膜厚とが設定される。したがって、ｎ側半導体層全体の抵抗値の低減には一定の限界があった。尚、一般に三元混晶のＡｌＧａＮよりも二元混晶のＧａＮの結晶性がよいとされていることから、可視光発光可能な窒化物半導体発光素子の場合、通常はｎ側コンタクト層にＧａＮが用いられる。
【００１７】
これに対して、本発明は、Ｇａの一部をＡｌで置き換えたＡｌＧａＮ層が、ＧａＮに比べてピットやクラックを発生させることなく比較的多くのＳｉをドープすることができることに着目して、ｎ側半導体層にｎ側コンタクト層４とは別にｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を設けた構造になっている。
【００１８】
図４には、ＧａＮとＡｌＧａＮ層のＳｉ不純物濃度に対するピットの発生状況を示している。尚、このピットの発生有無は、サファイア基板上に、アンドープＧａＮ層を介して、ＳｉをドープしたＧａＮ層とＡｌＧａＮ層をそれぞれ成長させたときの表面観察により評価した。
【００１９】
図４に示すように、ＡｌＧａＮ層は、例えば、Ａｌ混晶比が０．０１の場合で見ると、ＧａＮではＳｉ不純物濃度が１．５×１０１９原子／ｃｍ３以上になるとピットが発生するのに対して、Ｓｉ不純物濃度が４．５×１０１９原子／ｃｍ３であってもピットの発生はない。したがって、ＡｌＧａＮ層はピットを発生させることなくＧａＮ層の３倍以上のＳｉ不純物濃度にでき、低抵抗にできることが理解できる。
【００２０】
このように、ＡｌＧａＮ層はピットを発生させることなくＧａＮ層の３倍以上のＳｉ不純物濃度にでき、低抵抗にできるので、ｎ側コンタクト層４とｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とを合わせた電流路の抵抗をｎ側コンタクト層４のみで電流路を形成した比較例に比べて小さくすることができる。さらに、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を設けることにより電流を横方向に広がりやすくすることができ、高密度の電流が局所的に流れることを抑制できる。その結果、窒化物半導体発光素子の順方向電圧を低くすることができる。
【００２１】
本発明において、低抵抗のｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、ｎ側コンタクト層４全体の合計厚みの１／８以上であることが好ましい。厚みが薄いほどn側半導体層の抵抗を下げる効果が小さくなるからである。
【００２２】
以上のように、本発明は、ＡｌＧａＮ層がＧａＮ層より高い濃度にＳｉ不純物をドープでき、低抵抗にできることを利用して、ｎ側コンタクト層４とｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とを合わせた電流路の抵抗を低くするものである。したがって、本発明は、ｎ側コンタクト層４の下面に接して、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を設けた場合に限られるものではなく、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層は、少なくともｎ側窒化物半導体層にあれば、ｎ側窒化物半導体層の抵抗を低くすることができる。また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層は、ｎ側コンタクト層のどちら側、すなわち活性層８とｎ側コンタクト層４の間にあってもよいし、ｎ側コンタクト層４と基板１の間（ｎ側コンタクト層がＡｌＧａＮ層と活性層との間）にあってもよい。しかしながら、本発明において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３は、ｎ電極からの距離が短いことが好ましい。したがって、より好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３は、ｎ側コンタクト層４の上面若しくは下面に接することが良い。
ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３がｎ側コンタクト層４の下側にある場合、両者の間に他の層が介在すると、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３まで電流が届かない可能性がある。そこで、係る場合はｎ側コンタクト層４とｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とが接していることが好ましい。
図２には、図１に比較して、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３がｎ電極５に近い例を示し、図３には、ｎ側コンタクト層４の上面に接してｎ＋ＡｌＧａＮ層１３が形成されている例を示している。尚、図２に示す例では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の基板側に接して、例えば、ｎ側コンタクト層４と同一組成の下地層１４を設けている。
以上のように、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、種々の位置に形成できるので、目的に応じて適切な位置に形成することができる。
【００２３】
例えば、基板を残したままｐ型電極とｎ型電極を同じ側からとる構造の場合、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３がｎ側コンタクト層４の上に（活性層との間に）接して形成されると、順方向電圧低減の効果がより大きくなる。また、上層に形成する活性層等の結晶性を高く保って，高温動作時の光出力低下を重視する場合は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の位置をｎ側コンタクト層の下面に接して設けることが望ましくその場合でも順電圧低減効果は得られる。
【００２４】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、順方向電圧の低減が可能となり、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。特にｎ側の層での電力損失が多くなる高電流動作では、ｎ側の層での電力損失は投入電流の二乗に比例して増大するので、順電圧低減効果や発光効率の低減効果が大きい。
【００２５】
以下、実施形態の窒化物半導体発光素子における、各層について説明する。
【００２６】
＜バッファ層＞
バッファ層２は、基板１と窒化物半導体層との格子定数等の違いにより生じる歪による応力を緩和する層であり、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる。
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ以外に、例えば、ＡｌＮなども用いることができる。
【００２７】
＜アンドープＧａＮ層３＞
アンドープＧａＮ層３は、バッファ層に生じたピットを減少させるためピット埋め込み層であり、例えば、３μｍの厚さに形成される。
【００２８】
＜ｎ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層１３＞
ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、上述したように、ｎ側コンタクト層４とともにｎ側において横方向に電流を拡散する電流路を形成し、電流路全体の抵抗を低下させる。Ａｌ混晶比は、好ましくは、０．０３≧ｘ＞０、より好ましくは、０．０２≧ｘ≧０．００５に設定される。Ａｌ混晶比が高くなり過ぎると、結晶性が低下すると共にＡｌの面内組成分布が悪化してＡｌが不足する部位が発生し、Ａｌ混晶比が低すぎると、ピットの発生を抑える効果が低下する。これらのことを考慮すると、最も好ましいＡｌ混晶比は、０．０１程度である。ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の膜厚は、薄いとｎ側半導体層全体の抵抗を低下させる効果が小さくなり、厚いと反応中のウエハの反りが大きくなるなどの問題があるために、ｎ＋ＡｌＧａＮ層の膜厚ｔは、３.０μｍ≧ｔ≧０．０５μｍ、より好ましくは、２μｍ≧ｔ≧１μｍの範囲に設定される。
また、Ｓｉ不純物濃度は、ｎ側コンタクト層４より高い値であってかつ好ましくは、１．１８×１０１９原子／ｃｍ３〜５．６×１０１９原子／ｃｍ３の範囲、より好ましくは２×１０１９原子／ｃｍ３〜４×１０１９原子／ｃｍ３の範囲に設定される。
【００２９】
また、このｎ＋ＡｌＧａＮ層１３は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されるが、膜厚を均一にするために、キャリアガスであるＨ２をＧａＮを成長させる際の２倍程度流すことが望ましい。Ａｌの原料ガスは、例えば、ＴＭＡであり、その流量によりＡｌ混晶比を調整することができる。さらに、Ａｌ面内組成分布を良好にするにはｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長速度を３０ｎｍ／ｍｉｎ程度とすることが望ましい。また、Ｓｉ不純物濃度はＳｉの原料ガスの流量比により調整する。
【００３０】
＜ｎ側コンタクト層４＞
ｎ側コンタクト層４は、ｎ電極５が形成される層である。ｎ側コンタクト層４は、ｎ電極と良好なオーミック接触を実現するため、好ましくは、ＳｉがドープされたＧａＮからなり、Ｓｉ不純物濃度は高い方が好ましいが、ピットの発生を抑えて比較的厚く形成するために、好ましくは、８×１０１８原子／ｃｍ３〜１．３２×１０１９原子／ｃｍ３の範囲に設定される。また、ｎ側コンタクト層４の膜厚は、１μｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
＜ｎ側ＧａＮ複合層６＞
ｎ側ＧａＮ複合層６は、低い順方向電圧と高い耐圧特性を得るために形成される層である。例えば、アンドープＧａＮ層と、SiドープＧａＮ層及びアンドープＧａＮ層を順に積層させた複合膜とすることができる。複合膜を構成する個々の膜厚は限定されないが、５〜５００ｎｍが適しており、好ましくは、５〜３００ｎｍが良い。
【００３２】
＜超格子バッファ層７＞
超格子バッファ層７は、活性層と超格子バッファ層７より下に形成されたＧａＮ層との間の緩衝層である。例えば、ＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層からなる多層膜とすることができる。多層膜は、全体がアンドープでも良いし、ＧａＮのみにＳｉドープしても良い。多層膜を構成する個々の膜厚は限定されないが、１〜５ｎｍが適している。
【００３３】
＜活性層８＞
活性層８は、例えば、井戸層と障壁層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造からなり、例えば、井戸層は、所望の発光波長の光に応じてＩｎの混晶比が設定されたＩｎＧａＮからなる。また、障壁層は、井戸層よりＩｎの混晶比が小さいＩｎＧａＮ、ＧａＮ又はそれらにＡｌが含まれた組成からなる。
【００３４】
＜ｐ側クラッド層９＞
ｐ側クラッド層９は、電子をブロックするｐ側の障壁層であり、例えば、膜厚が、１０〜３０ｎｍのＭｇドープのＡｌｙＧａ１−ｙＮ（１≧ｙ≧０）からなる。
【００３５】
＜ｐ側コンタクト層１０＞
ｐ側コンタクト層１０は、ｐコンタクト電極１１が設けられる層であり、例えばＭｇドープＧａＮ層からなる。
【００３６】
＜ｎ電極５＞
ｎ電極５は、ｎ側コンタクト層４との間でオーミックコンタクトをとる電極である。ｎ電極の材料は、限定されないが、例えばｎ側コンタクト層４側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕの３層構造とすることができる。
【００３７】
＜ｐコンタクト電極１１＞
ｐコンタクト電極１１は、例えば、ＩＴＯ等の透明電極からなり、Pコンタクト電極１１を介して光が出射される。
【００３８】
＜ｐパッド電極１２＞
ｐパッド電極１２は、限定されないが、電極形成工程の短縮化の観点から、ｎ電極と同じ材料、すなわちｎ側コンタクト層４側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕの３層構造とすることができる。
尚、図１〜図３に示した窒化物半導体発光素子は、いずれもｐ型電極とｎ型電極とを同一面側に形成して両電極が同一方向から接続されるように構成した例で示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ｐ型電極が素子の上面に形成され、ｎ型電極が素子の下面に形成された窒化物半導体発光素子であっても適用することができる。
【実施例】
【００３９】
次に、本発明に係る実施例について説明する。
実施例１．
実施例１では、例えば、ヘッドライト用に使用される１ｍｍ角の窒化物半導体発光素子を以下のようにして作製した。
【００４０】
実施例１では、まず、サファイアからなる基板１の上に膜厚２０μｍのＡｌＧａＮのバッファ層２と、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層３を形成した。
次に、アンドープＧａＮ層３の上にｎ側窒化物半導体層を構成する以下の層を順に成長させた。
（１）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３：
実施例１では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ混晶比ｘは、０．０１とし、Ｓｉ不純物濃度は、３．４×１０１９原子／ｃｍ３になるようにした。
ここで、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長レートは、比較的低い３０ｎｍ／ｍｉｎに設定して、１μｍの厚さに成長させた。
（２）ｎ側コンタクト層４：
ｎ側コンタクト層４は、膜厚が３μｍのＳｉドープＧａＮとし、Ｓｉ不純物濃度は、１．０×１０１９原子／ｃｍ３になるように調整した。
（３）ｎ側ＧａＮ複合層６：
ｎ側ＧａＮ複合層６は、０．３μｍのアンドープＧａＮ層、０．０３μｍの微量ＳｉドープＧａＮ層、０．００５μｍとアンドープＧａＮを順に成長させた３層構造とした。
（４）超格子バッファ層７：
超格子バッファ層７は、ｎ側窒化物半導体層の最後の層であり、５ｎｍのＧａＮ層、４ｎｍのアンドープＧａＮ層、２ｎｍのアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層をその順に繰り返しそれぞれ２０層となるように積層した。
【００４１】
次に、ｎ側窒化物半導体層（超格子バッファ層７）の上に、活性層８を形成した。
活性層８は、膜厚４ｎｍのアンドープＧａＮの障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎ0.3Ｇａ0.7Nの井戸層とを繰り返し交互に９層ずつ積層し、最後に障壁層を積層した多重量子井戸構造とした。
【００４２】
次に、活性層８の上に、ｐ側窒化物半導体層を構成する以下の層を順に成長させた。
（５）ｐ側クラッド層（ｐ側障壁層）９：
ｐ側クラッド層として、厚さが１２ｎｍのＭｇドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を形成した。ｐ側クラッド層のＭｇ不純物濃度は、１×１０２０原子／ｃｍ３とした。
（６）ｐ側コンタクト層１０：
ｐ側コンタクト層として、膜厚３２ｎｍのアンドープのＧａＮ層、膜厚３２ｎｍのＭｇ不純物濃度１×１０２０原子／ｃｍ３のＧａＮ層及び膜厚１５ｎｍのＭｇ不純物濃度５×１０２０原子／ｃｍ３のＧａＮ層を順に形成した。
このｐ側コンタクト層を形成した後、Ｎ２とＯ２雰囲気で熱処理（６００℃）することでｐ側窒化物半導体層を低抵抗化した。
【００４３】
次に、上面からｎ側窒化物半導体層への電気的接続を行うためにｐ側窒化物半導体層及び活性層の一部をエッチングで除去し、露出させたｎ側型コンタクト層４の表面にｎ電極５を形成した。
ｎ電極５は、Ｔｉ（１.５ｎｍ）／Ｒｈ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）の３層構造とした。
【００４４】
さらに、ｐ側コンタクト層１０の上に、ｐコンタクト電極１１として、厚さ１７０ｎｍのＩＴＯを形成し、ｐコンタクト電極１１の上に、pパッド電極１２を形成した。
pパッド電極１２は、ｎ電極５と同様、Ｔｉ（１.５ｎｍ）／Ｒｈ（２００ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）の３層構造とした。
【００４５】
以上のようにして、発光波長約４６０ｎｍの青色ＬＥＤである実施例１の窒化物半導体発光素子を作製した。
【００４６】
実施例２．
実施例２では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長レートは、７５ｎｍ／ｍｉｎに設定した以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。
【００４７】
比較例１．
比較例１では、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することなく、ｎ側コンタクト層４としてＳｉ不純物濃度が１．０×１０１９原子／ｃｍ３のＳｉドープＧａＮを、４μｍの厚さに形成した点を除いて実施例１と同様に１ｍｍ角の窒化物半導体発光素子を作製した。
【００４８】
以上のようにして作製した実施例１、２及び比較例１の順方向電圧（Ｖｆ）及び電力効率Wall-plug Efficiency（ＷＰＥ）を評価した。
その結果を、図５及び図６のグラフと表１に示す。
【００４９】
表１
【００５０】
以上の結果から、（ａ）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することにより、順方向電圧を低くできること、（ｂ）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３の成長レートが低いほど順方向電圧を低下させる効果が大きいこと、（ｃ）順方向電流が大きいほど、順方向電圧を低下させる効果が大きいことがわかる。
【００５１】
実施例３．
実施例３では、５００μｍ×２９０μｍの窒化物半導体発光素子を以下のようにして作製した。
実施例３の窒化物半導体発光素子の半導体積層構造は、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３とｎ側コンタクト層４の膜厚が実施例１に比較して異なっている以外は、実施例１と同様にした。
具体的には、
ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３について、Ａｌ混晶比ｘは、０．０１とし、Ｓｉ不純物濃度は、３．４×１０１９原子／ｃｍ３になるようにして、２μｍの厚さに形成した。
また、ｎ側コンタクト層４については、膜厚が２μｍのＳｉドープＧａＮとし、Ｓｉ不純物濃度は、１．０×１０１９原子／ｃｍ３になるように調整した。
【００５２】
比較例２．
比較例２として、ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することなく、Ｓｉ不純物濃度が１．０×１０１９原子／ｃｍ３のＳｉドープＧａＮを４μｍの厚さに成長させてｎ側コンタクト層４とした以外は、実施例３と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。
【００５３】
以上のようにして作製した実施例３及び比較例２の順方向電圧（Ｖｆ）及び電力効率（ＷＰＥ）を評価した。
その結果を、図７のグラフと表２に示す。
【００５４】
表２
【００５５】
以上の結果から、中型の窒化物半導体発光素子についても、（ａ）ｎ＋ＡｌＧａＮ層１３を形成することにより、順方向電圧を低くできること、（ｂ）順方向電流が大きいほど、順方向電圧を低下させる効果が大きいことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、順方向電圧の低減が可能となり、しかも高電流密度になるほどＶｆ低減・効率上昇の効果も大きくなるので、電力損失も小さくできる。これにより、発熱も小さくできるため、特に、高効率固体照明用途に適している。
【符号の説明】
【００５７】
１ 基板
２ バッファ層
３ アンドープＧａＮ層
１３ ｎ＋ＡｌＧａＮ層
４ ｎ側コンタクト層
５ ｎ電極
６ ｎ側ＧａＮ複合層
７ 超格子バッファ層
８ 活性層
９ ｐ側クラッド層
１０ ｐ側コンタクト層
１１ ｐコンタクト電極
１２ ｐパッド電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを備え、
前記ｎ側窒化物半導体層は前記ｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層が、前記ｎ側コンタクト層に接している請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ側コンタクト層が、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層と前記活性層の間に位置する請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層が、前記ｎ側コンタクト層と前記活性層の間に位置する請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層におけるＡｌ混晶比ｘが、０．０３以下に設定された請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層におけるＡｌ混晶比ｘが、０．０２≧ｘ≧０．００５、の範囲に設定された請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層の膜厚ｔが、３．０μｍ≧ｔ≧０．０５μｍ、の範囲に設定された請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１】
ＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を含むｎ側窒化物半導体層と活性層とｐ側窒化物半導体層とを備え、
前記ｎ側窒化物半導体層は前記ｎ側コンタクト層よりＳｉ不純物濃度の高いＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層が、前記ｎ側コンタクト層に接している請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ側コンタクト層が、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層と前記活性層の間に位置する請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層が、前記ｎ側コンタクト層と前記活性層の間に位置する請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層におけるＡｌ混晶比ｘが、０．０３以下に設定された請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層におけるＡｌ混晶比ｘが、０．０２≧ｘ≧０．００５、の範囲に設定された請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）層の膜厚ｔが、３．０μｍ≧ｔ≧０．０５μｍ、の範囲に設定された請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−５５２８０（Ｐ２０１３−５５２８０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３７０８（Ｐ２０１１−１９３７０８）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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