窒化物半導体素子
【課題】
ｐ側窒化物半導体層における電流拡散性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体素子であって、前記ｐ型窒化物半導体層において、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と前記ＡｌＮ層とが接していることを特徴とする窒化物半導体素子。
ｐ側窒化物半導体層における電流拡散性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体素子であって、前記ｐ型窒化物半導体層において、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と前記ＡｌＮ層とが接していることを特徴とする窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特にｐ側窒化物半導体層内に電流拡散層を有する窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体発光素子の分野において、高光束の要求に伴ってチップサイズが大きくなる傾向にある。しかし、ｐ側窒化物半導体層の抵抗が比較的高いことにより、電流がチップの隅々まで流れず、静電耐圧特性に問題があった。半導体層上面側に補助電極を設けることによって電流拡散性が改善されることが知られているが、その反面、チップから外部に光を取り出す際に補助電極自体に光が吸収されてしまい、チップサイズの大型化による高光束化のメリットが損なわれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／１１７７８８号
【特許文献２】特開２００２−２０８７３２号公報
【特許文献３】特開２００８−１０９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、ｐ側窒化物半導体層における電流拡散性を向上させた窒化物半導体発光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】
【０００５】
本発明の窒化物半導体素子は、
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層において、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と前記ＡｌＮ層とが接していることを特徴とする。
【０００６】
前記ＡｌＮ層の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましい。
【０００７】
本発明の窒化物半導体素子は、前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ側クラッド層を更に有してよく、前記ＡｌＮ層と前記ｐ側クラッド層との間にアンドープＧａＮ層を有してよい。
【０００８】
本発明の窒化物半導体素子は、前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ型ＧａＮ層を更に有してよく、前記ＡｌＮ層と前記ｐ型ＧａＮ層とが接していてよい。
【０００９】
更に、本発明の窒化物半導体素子は、前記ｐ型ＧａＮ層と前記アンドープＧａＮ層とが接していてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
ｐ型コンタクト層が、ｐ型コンタクト層と組成の異なる（即ちバンドギャップの異なる）ＡｌＮ層（以下、ｐ側ＡｌＮ層ともよぶ）と接していることにより、窒化物半導体素子に電圧をかけると、ｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との界面において格子定数差によるピエゾ電界が発生する。これにより、前記界面においてキャリア移動度（電流拡散性）が増大する。ｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との界面において電流が拡散されることにより、比較的結晶性の脆い活性層が保護され、静電耐圧特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、（ａ）が従来の窒化物半導体素子、（ｂ）が本発明の第１の実施形態の窒化物半導体素子の積層構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態の窒化物半導体素子の積層構造の模式図である。
【図３】図３は、本発明の第３の実施形態の窒化物半導体素子の積層構造の模式図である。
【図４】図４は、アンドープＧａＮ層とＡｌＮ層との界面におけるキャリア移動度測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための態様を例示するものであって、本発明を以下のものに特定しない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。更に、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよく、一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００１３】
（第１の実施形態）
従来の窒化物半導体素子（図１ａ）および本発明の第１の実施形態の窒化物半導体素子（図１ｂ）の積層構造の模式図を図１に示す。本発明の第１の実施形態の窒化物半導体素子（図１ｂ）は、サファイアからなる基板１の上に、Ｓｉ等のｎ型不純物を含むｎ側窒化物半導体層、活性層３、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むｐ側窒化物半導体層４が積層され、ｐ側窒化物半導体層４の上にｐ側透光性電極５ａとｐ側パッド電極５ｂとからなるｐ側電極が形成されている。ｎ側窒化物半導体層はｎ型コンタクト層２を含む。ｎ側窒化物半導体層はｎ型コンタクト層２以外の層を含んでもよい。ｐ側窒化物半導体層４より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたｎ型コンタクト層２の表面にｎ側電極６が形成されている。ｐ側窒化物半導体層４は、活性層側から順に、ｐ側クラッド層４ａ、ｐ側ＡｌＮ層４ｃ、ｐ型コンタクト層４ｂが積層されており、ｐ側ＡｌＮ層４ｃは、ｐ型コンタクト層４ｂと組成が異なる。本発明に係るｐ側クラッド層４ａは、電子を閉じ込めるため、およびホールを活性層に供給するための層（例えば、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層など）であり、ｐ側ＡｌＮ層４ｃとは異なり、電流拡散の効果が殆ど無い層である。
【００１４】
ｐ型コンタクト層４ｂおよびｐ側ＡｌＮ層４ｃは互いに組成が異なり、従って格子定数が異なる。そのため、窒化物半導体素子に電圧をかけると、ｐ型コンタクト層４ｂとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの界面において格子定数差によるピエゾ電界が発生する。これによって、界面におけるキャリア移動度が増大し、前記界面において電流が横方向に拡散される（即ち、正孔が横方向に拡散される）。図１ａに示す従来の窒化物半導体素子と比較して、本発明の窒化物半導体素子において電流が拡散される様子を、図１ｂにおいて矢印で模式的に示している。ｐ型コンタクト層４ｂとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの界面において電流が拡散されることにより、ｐ側クラッド層４ａおよび活性層３の一部に電流が集中して注入されることがなくなり、比較的結晶性の脆いｐ側クラッド層４ａおよび活性層３が保護され、静電耐圧特性が向上する。更に、ｐ型コンタクト層４ｂとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの界面において正孔の横方向への拡散が促進されることにより、活性層３のより広範囲の領域において電子と正孔との再結合、即ち発光が起こり、光取り出し効率が向上し得る。なお、ｐ側ＡｌＮ層４ｃは、安定した混晶比で半導体結晶を成長させることができるため、電流が部分的に集中することなく均一に拡散することができる。
【００１５】
ｐ側ＡｌＮ層４ｃの厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍ、更に好ましくは１ｎｍ〜３ｎｍである。ｐ側ＡｌＮ層４ｃの厚さが１ｎｍ以上である場合、ｐ側ＡｌＮ層４ｃとｐ型コンタクト層４ｂとの界面におけるキャリア移動度の増加が顕著であり、従って静電耐圧特性を効率的に向上させることができる。また、ｐ側ＡｌＮ層４ｃの厚さが１０ｎｍ以下である場合、ｐ側ＡｌＮ層４ｃ自体の抵抗を低く抑えることができ、順方向電圧Ｖｆの増加を軽減することができる。
【００１６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側ＡｌＮ層と活性層との間にｐ側クラッド層を更に有し、ｐ側クラッド層とｐ側ＡｌＮ層との間にアンドープＧａＮ層を有するものである。
本発明の第２の実施形態に係る半導体素子は、例えば図２に示すような積層構造を有する。本発明の第２の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側クラッド層４ａとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの間にアンドープＧａＮ層（以下、ｐ側アンドープＧａＮ層ともよぶ）４ｄを更に有する以外は、第１の実施形態の半導体素子と同様の構造を有するものである。ｐ側アンドープＧａＮ層４ｄは、ｐ側窒化物半導体層４のシート抵抗を下げるための層であり、ｐ側アンドープＧａＮ層４ｄ内を電流が拡散することによって静電耐圧特性をさらに向上させることができる。
【００１７】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側ＡｌＮ層と活性層との間にｐ型ＧａＮ層を有するものであり、ＡｌＮ層とｐ型ＧａＮ層とが接している。本発明の第３の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側アンドープＧａＮ層を更に有してよく、ｐ型ＧａＮ層とｐ側アンドープＧａＮ層とが接していてよい。
本発明の第３の実施形態に係る半導体素子は、例えば図３に示すように、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’とｐ型コンタクト層４ｂ”との間に、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’およびｐ型コンタクト層４ｂ”の両方と接するようにｐ側ＡｌＮ層４ｃが設けられる以外は、第１の実施形態の半導体素子と同様の構造を有するものである。
本実施形態におけるｐ型ＧａＮ層は、ＧａＮに限定されるものではなく、例えばＡｌＧａＮやＩｎＧａＮからなる層であってもよく、好ましくはｐ型コンタクト層と同じ組成からなる層である。
また、ｐ側クラッド層４ａとｐ型ＧａＮ層４ｂ’との間に、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’と接するようにｐ側アンドープＧａＮ層（図示しない）を設けてもよい。これにより、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’にドープされたｐ型不純物がｐ側アンドープＧａＮ層に微量に拡散されるため、ｐ側アンドープＧａＮ層自体の抵抗を低く抑えることができ、順方向電圧Ｖｆの増加を軽減したまま静電耐圧特性を更に向上させることができる。
【００１８】
以上、第１〜第３の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、他の実施形態も可能である。
【００１９】
以下に、本発明の一の実施形態に係る発光素子の各構成について詳細に説明するが、以下に説明する全ての構成物が必須ではなく、それらのいくつかを省略または変更することができる。
【００２０】
［基板］
基板は、サファイアのＣ面、Ｒ面、Ａ面の他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）等の絶縁性基板、ＳｉＣ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２１】
［ｎ側窒化物半導体層］
以下に、ｎ側窒化物半導体層の構成について説明する。本実施形態に係るｎ側窒化物半導体層は、少なくとも基板側から順に、バッファ層、ｎ型コンタクト層、アンドープ半導体層およびｎ型多層膜層が積層されている。
【００２２】
（バッファ層）
まず、基板１の上にバッファ層を形成させる。バッファ層は、基板と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和して、結晶性の高い窒化物半導体層をその上に形成するためのものである。バッファ層は、最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。バッファ層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、温度５００〜８００℃で１０〜５０ｎｍの厚さに成長させて形成することが好ましい。
【００２３】
このバッファ層の上に、第２のバッファ層を更に形成してもよい。第２バッファ層は、後述のｎ型コンタクト層よりｎ型不純物のドープ量が少ない、またはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、上述の第１のバッファ層より高い温度、例えば８００〜１３００℃で、０．５〜３μｍの厚さに成長させて形成する。第２バッファ層は、不純物ドープ量が少ない（またはゼロである）ので高い結晶性を有する。そのため、結晶性の高いｎ型コンタクト層をその上に形成することができる。
【００２４】
（ｎ型コンタクト層）
この上にｎ型コンタクト層を形成させる。ｎ型コンタクト層はその組成が特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ又はＧａＮからなる層であることが好ましい。このような組成にすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。具体的には、Ｓｉ等のｎ型不純物を４．５×１０１８／ｃｍ３ドープした窒化物半導体、例えばＧａＮを、温度９００〜１３００℃で１〜１０μｍの厚さに成長させて、ｎ型コンタクト層を形成する。
【００２５】
（アンドープ半導体層）
ｎ型コンタクト層の上にアンドープ半導体層を形成させる。アンドープ半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられる。なかでも、アンドープ半導体層は、ＧａＮ、ｘ及び／又はｙが０．２以下のＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮが好ましく、更に、ＧａＮからなる層を含むことが好ましい。このような組成により、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が容易に得られる。
アンドープ半導体層は、単層で形成されていてもよいが、多層で形成されていることが好ましい。アンドープ半導体層が多層で形成される場合、その全ての層が、ｎ型不純物を含有しないアンドープ層とすることは必要ではなく、少なくとも１層がアンドープ層であればよい。また特に、アンドープ半導体層は、同じ組成のアンドープ層とドープ層とが交互に積層された層であることが好ましい。これらの交互の積層は、例えば、３層以上であることが好ましく、５層程度以下であることが適しており、アンドープ層とドープ層とのいずれが最下層及び／又は最上層であってもよい。具体的には、例えば、温度９００〜１３００℃でアンドープＧａＮからなる厚さ１００〜２００ｎｍの第１の層を成長させ、その上に、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる厚さ１０〜５０ｎｍの第２の層を成長させ、これを２回繰り返した後に、更にアンドープＧａＮを１〜１０ｎｍの厚さに成長させて、総膜厚が１００〜５００ｎｍのアンドープ半導体層を形成する。不純物がドープされていない、従ってキャリア移動度の高いアンドープＧａＮ層と、不純物がドープされた、従ってキャリア濃度の高い層とが交互に存在することにより、閾値電圧および順方向電圧が低下する。第１の層は、第２の層よりもＳｉドープ量の少ないＳｉドープＧａＮであってもよい。
【００２６】
なお、本明細書において「アンドープ」とは、成膜時に不純物を導入することなく形成された層であって、成膜後および／または製造工程における熱処理等によって上下層から拡散されて不純物が混入された層を意味するのではない。つまり、不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度以下に留められている層を、実質的に「アンドープ」の層と称する。
【００２７】
（ｎ型多層膜層）
アンドープ半導体層の上にｎ型多層膜層を形成させる。ｎ型多層膜層は、組成の異なる少なくとも２種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられる。特に、ｎ型多層膜層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）（第１層）とＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）（第２層）との２種類の組成からなる層が交互に積層されるのが好ましい。第１層は、ｚが小さいほど、つまりアルミニウム含有量が小さいほど、結晶性が良好になるため、ｚ＝０であるＧａＮからなる層が好ましい。第２層は、ｐが０．５以下の層が好ましく、ｐが０．２以下の層がより好ましい。なかでも、ｎ型多層膜層としては、第１層がＧａＮであり、第２層においてｐが０．２以下のＩｎｐＧａ１−ｐＮであるのが好ましい。
また、ｎ型多層膜層を構成する単一層（つまり、第１層又は第２層）の膜厚は特に限定されないが、少なくとも１種類の単一層の膜厚を、１０ｎｍ以下とすることが適しており、７ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。具体的には、例えば、温度９００〜１３００℃でアンドープＧａＮからなる厚さ１〜２ｎｍの第１の層を成長させ、その上に、温度８００〜１０００℃でアンドープＩｎＧａＮからなる厚さ０．５〜１ｎｍの第２の層を成長させ、これを２０回繰り返した後に、更にＧａＮを１０〜２０ｎｍの厚さに成長させて、総膜厚が４０〜８０ｎｍのｎ型多層膜層を形成する。このように単一層の膜厚を薄くすることにより、ｎ型多層膜層が超格子構造となると共に、弾性臨界膜厚以下となり、ｎ型多層膜層における各単一層の結晶性が良好となる。よって、積層が進むにつれて、より結晶性を向上させることができ、光出力の向上を実現させることができる。
【００２８】
［活性層］
活性層として、少なくともＩｎを含んでなる窒化物半導体、好ましくはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を含む井戸層と、障壁層とを有する多重量子井戸構造または単一量子井戸構造を用いることができる。井戸層や障壁層の膜厚は、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とすることが望ましい。特に井戸層は薄い方が好ましく、１０ｎｍ以下、更に好ましくは１〜５ｎｍとすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層が得られる。
活性層が多重量子井戸構造からなる場合、出力の向上、発振閾値の低下などを図ることが可能となる。活性層３が多重量子井戸構造からなる場合、井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でもよい。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けてもよい。
量子井戸構造の活性層に用いる障壁層としては、特に限定されないが、井戸層よりＩｎ含有率の低い窒化物半導体、ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを含むことが望ましい。障壁層の厚さや組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。
【００２９】
［ｐ側窒化物半導体層］
以下に、ｐ側窒化物半導体層の構成について説明する。本実施形態に係るｐ側窒化物半導体層は、少なくとも活性層側から順に、ｐ側クラッド層、ｐ側ＡｌＮ層、ｐ型コンタクト層が積層されている。
【００３０】
（ｐ側クラッド層）
まず、活性層の上に、温度９００〜１０００℃程度でＭｇ等のｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＡｌ含有窒化物半導体、好ましくはＭｇドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）を１０〜５０ｎｍの厚さに成長させて、ｐ側クラッド層を形成する。Ａｌ含有窒化物半導体からなるｐ側クラッド層は、活性層の井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいことにより、キャリア閉じ込め層としてはたらく。Ａｌ混晶比が高いほどバンドギャップエネルギーが大きくなるので、ｐ側クラッド層はＡｌＧａＮからなることが好ましい。
【００３１】
（ｐ側ＡｌＮ層）
ｐ側クラッド層の上に、ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮを成長させてｐ側ＡｌＮ層を形成する。ｐ側ＡｌＮ層の厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍ、更に好ましくは１ｎｍ〜３ｎｍである。ｐ側ＡｌＮ層はＭｇ等のｐ型不純物がドープされていてよく、あるいはアンドープであってもよい。電流拡散効果はｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との格子定数の差に起因するので、ｐ側ＡｌＮ層におけるｐ型不純物のドープの有無に関わらず、電流拡散効果を得ることができる。
また更に、ｐ側クラッド層とｐ側ＡｌＮ層との間に、ｐ側アンドープＧａＮ層を５０〜１００ｎｍの厚さで成長させてもよい。ｐ側アンドープＧａＮ層内を電流が拡散することによって、静電耐圧特性をさらに向上させることができる。
【００３２】
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられ、なかでも、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮからなる層が好ましく、ＧａＮからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。具体的には、例えば、ｐ側ＡｌＮ層の上に、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮを１０〜１００ｎｍの厚さに成長させて、ｐ型コンタクト層を形成する。
【００３３】
［ｐ側電極およびｎ側電極］
ｐ側電極およびｎ側電極は、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
例えば本実施形態に係るｐ側電極は、ｐ型コンタクト層の上に、ｐ側透光性電極およびｐ側パッド電極が順に形成して構成される。ｐ側透光性電極は、光の取り出し効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物（ＩＴＯやＺｎＯ等）等が挙げられる。ｎ側電極は、ｐ側窒化物半導体層より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して上部ｎ型コンタクト層を露出させ、露出された上部ｎ型コンタクト層の表面に形成される。
【実施例】
【００３４】
［比較例］
ｐ側ＡｌＮ層を有しない比較例の発光素子を以下の工程で作製した。
【００３５】
（第１バッファ層）
温度６００℃で、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いて、基板上にＡｌＧａＮを約２０ｎｍの厚さに成長させて、第１バッファ層を形成した。
【００３６】
（第２バッファ層）
第１バッファ層を形成した後、ＴＭＧのみを止めて、温度を１０５０℃まで上昇させた。１０５０℃に達した後、原料ガスにＴＭＧおよびアンモニアガスを用いてアンドープＧａＮを約２μｍの厚さに成長させ、第２バッファ層を形成した。
【００３７】
（ｎ型コンタクト層）
次に、温度１０５０℃にて原料ガスにＴＭＧおよびアンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮを約５μｍの厚さに成長させ、ｎ型コンタクト層を形成した。
【００３８】
（アンドープ半導体層）
次に、シランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧおよびアンモニアガスを用いて、アンドープＧａＮからなる第１の層を約１５０ｎｍの厚さに成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加し、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる第２の層を約２０ｎｍの厚さに成長させた。これを繰り返して計２回行い、最後に、シランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる層を約１０ｎｍの厚さに成長させて、５層からなる総厚さ約３５０ｎｍのアンドープ半導体層を形成した。
【００３９】
（ｎ型多層膜層）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮからなる第１の層を約１．５ｎｍ成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて、アンドープＩｎＧａＮからなる第２の層を約１ｎｍ成長させた。そしてこれらの操作を繰り返して交互に２０層ずつ積層させ、最後にＧａＮからなる第１の窒化物半導体層を約１．５ｎｍ成長させて、超格子構造の多層膜からなる総厚さ約５１．５ｎｍのｎ型多層膜層を形成した。
【００４０】
（活性層）
温度９００〜１３００℃程度にてＴＭＧ、アンモニアガスおよびシランガスを用いて、ＳｉドープＧａＮを約３．５ｎｍ成長させた後、シランガスのみを止め、ＧａＮを約１．５ｎｍ成長させて、厚さ約５ｎｍの障壁層を形成した。
次に、温度６００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて、アンドープＩｎＧａＮからなる井戸層を約３ｎｍの厚さに成長させ、続いてＴＭＧおよびアンモニアを用いてアンドープＧａＮからなる障壁層を約５ｎｍの厚さに成長させた。そして、井戸＋障壁＋井戸＋障壁＋・・・・＋障壁の順で井戸層を９層、障壁層を９層、交互に積層して、総厚さ約８０ｎｍの多重量子井戸構造からなる活性層を形成した。
【００４１】
（ｐ側クラッド層）
次に、温度９００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアおよびＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＡｌＧａＮを約１０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ側クラッド層を形成した。
【００４２】
（ｐ側アンドープＧａＮ層）
次に、温度１０５０℃にてＴＭＧおよびアンモニアガスを用いて、アンドープＧａＮを約８０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ側アンドープＧａＮ層を形成した。
【００４３】
（ｐ型ＧａＮコンタクト層）
ｐ側アンドープＧａＮ層の上に、温度１０５０℃にてＴＭＧ、アンモニアおよびＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮを約５０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ型コンタクト層を形成した。
【００４４】
（電極）
次に、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側から約１．５μｍの深さでエッチングを行い、ｎ型コンタクト層の表面を露出させた。
続いて、ｐ型コンタクト層上のほぼ全面にＩＴＯからなるｐ側透光性電極を形成した。次に、形成したｐ側透光性電極上およびエッチングにより露出させたｎ型コンタクト層上に、ｐ側パッド電極およびｎ側電極をそれぞれ形成した。
【００４５】
最後に、ウェハを各チップに切断して発光素子を得た。
【００４６】
［実施例１］
実施例１の発光素子は、ｐ側アンドープＧａＮ層とｐ型コンタクト層との間に、温度９５０〜１３５０℃程度でＴＭＡおよびアンモニアを用いてＡｌＮからなるｐ側ＡｌＮ層を約１．０ｎｍの厚さに成長させる以外は比較例と同様の手順で作製した。
【００４７】
［実施例２］
実施例２の発光素子は、ｐ側ＡｌＮ層の厚さを２．０ｎｍにする以外は実施例１と同様の手順で作製した。
【００４８】
［実施例３］
実施例３の発光素子は、ｐ側ＡｌＮ層の厚さを３．０ｎｍにする以外は実施例１と同様の手順で作製した。
【００４９】
比較例および実施例１〜３の窒化物半導体素子の構成を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
（キャリア移動度試験）
厚さ３μｍのアンドープＧａＮの上に、厚さ０〜１０ｎｍのＡｌＮを成長させ、更にその上にアンドープＧａＮを３０ｎｍ成長させて、ＡｌＮ層の厚さの異なるサンプルを作製した。このようにして得られた各サンプルのキャリア移動度を、ホール測定装置を用いてｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によって測定した。結果を図４に示す。図４より、ＡｌＮ層の厚さが１〜１０ｎｍの場合にキャリア移動度が増大することがわかる。
【００５２】
（ｐ側ＡｌＮ層の厚さと静電耐圧特性との関係）
実施例１〜３および比較例に関して、電圧を徐々に上げていき（ステップ印加）、５０Ｖ、３００Ｖおよび５００Ｖの電圧が印加されたときの破壊数を調べて破壊率を算出した。試験結果を表２に示す。ｐ側ＡｌＮ層を挿入することにより、破壊率が低下した。ｐ側ＡｌＮ層を挿入することでピエゾ効果により電流拡散性が良くなる（シート抵抗が軽減される）ため、静電耐圧特性が改善したと考えられる。印加電圧が３００Ｖおよび５００Ｖの場合、ｐ側ＡｌＮ層の厚さが２．０ｎｍおよび３．０ｎｍである実施例２および３の破壊率は、ｐ側ＡｌＮ層の厚さが１．０ｎｍである実施例１の破壊率より低くなった。
【００５３】
【表２】
【００５４】
（光取り出し効率測定）
実施例１〜３および比較例に関して、光出力（Ｐｏ）を測定した。結果を表３に示す。ｐ側ＡｌＮ層の厚さが１．０ｎｍの場合にＰｏが最大となり、光取り出し効率が最も良い結果になった。
【００５５】
（順方向電圧測定）
実施例１〜３および比較例に関して、２０ｍＡおよび７０ｍＡにおける順方向電圧Ｖｆを測定した。結果を表３に示す。ｐ側ＡｌＮ層の厚さが３．０ｎｍに増加しても、順方向電圧は同程度のままであった。
【００５６】
【表３】
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の窒化物半導体素子は、優れた静電耐圧特性を有する。
【符号の説明】
【００５８】
１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
３ 活性層
４ ｐ側窒化物半導体層
４ａ ｐ側クラッド層
４ｂ ｐ型コンタクト層
４ｃ ｐ側ＡｌＮ層
４ｄ ｐ側アンドープＧａＮ層
４ｂ’ 下部ｐ型コンタクト層
４ｂ” 上部ｐ型コンタクト層
５ａ ｐ側電極層
５ｂ ｐ側パッド電極
６ ｎ側電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特にｐ側窒化物半導体層内に電流拡散層を有する窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体発光素子の分野において、高光束の要求に伴ってチップサイズが大きくなる傾向にある。しかし、ｐ側窒化物半導体層の抵抗が比較的高いことにより、電流がチップの隅々まで流れず、静電耐圧特性に問題があった。半導体層上面側に補助電極を設けることによって電流拡散性が改善されることが知られているが、その反面、チップから外部に光を取り出す際に補助電極自体に光が吸収されてしまい、チップサイズの大型化による高光束化のメリットが損なわれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／１１７７８８号
【特許文献２】特開２００２−２０８７３２号公報
【特許文献３】特開２００８−１０９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、ｐ側窒化物半導体層における電流拡散性を向上させた窒化物半導体発光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】
【０００５】
本発明の窒化物半導体素子は、
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層において、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と前記ＡｌＮ層とが接していることを特徴とする。
【０００６】
前記ＡｌＮ層の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましい。
【０００７】
本発明の窒化物半導体素子は、前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ側クラッド層を更に有してよく、前記ＡｌＮ層と前記ｐ側クラッド層との間にアンドープＧａＮ層を有してよい。
【０００８】
本発明の窒化物半導体素子は、前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ型ＧａＮ層を更に有してよく、前記ＡｌＮ層と前記ｐ型ＧａＮ層とが接していてよい。
【０００９】
更に、本発明の窒化物半導体素子は、前記ｐ型ＧａＮ層と前記アンドープＧａＮ層とが接していてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
ｐ型コンタクト層が、ｐ型コンタクト層と組成の異なる（即ちバンドギャップの異なる）ＡｌＮ層（以下、ｐ側ＡｌＮ層ともよぶ）と接していることにより、窒化物半導体素子に電圧をかけると、ｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との界面において格子定数差によるピエゾ電界が発生する。これにより、前記界面においてキャリア移動度（電流拡散性）が増大する。ｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との界面において電流が拡散されることにより、比較的結晶性の脆い活性層が保護され、静電耐圧特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、（ａ）が従来の窒化物半導体素子、（ｂ）が本発明の第１の実施形態の窒化物半導体素子の積層構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態の窒化物半導体素子の積層構造の模式図である。
【図３】図３は、本発明の第３の実施形態の窒化物半導体素子の積層構造の模式図である。
【図４】図４は、アンドープＧａＮ層とＡｌＮ層との界面におけるキャリア移動度測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための態様を例示するものであって、本発明を以下のものに特定しない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。更に、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよく、一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００１３】
（第１の実施形態）
従来の窒化物半導体素子（図１ａ）および本発明の第１の実施形態の窒化物半導体素子（図１ｂ）の積層構造の模式図を図１に示す。本発明の第１の実施形態の窒化物半導体素子（図１ｂ）は、サファイアからなる基板１の上に、Ｓｉ等のｎ型不純物を含むｎ側窒化物半導体層、活性層３、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むｐ側窒化物半導体層４が積層され、ｐ側窒化物半導体層４の上にｐ側透光性電極５ａとｐ側パッド電極５ｂとからなるｐ側電極が形成されている。ｎ側窒化物半導体層はｎ型コンタクト層２を含む。ｎ側窒化物半導体層はｎ型コンタクト層２以外の層を含んでもよい。ｐ側窒化物半導体層４より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたｎ型コンタクト層２の表面にｎ側電極６が形成されている。ｐ側窒化物半導体層４は、活性層側から順に、ｐ側クラッド層４ａ、ｐ側ＡｌＮ層４ｃ、ｐ型コンタクト層４ｂが積層されており、ｐ側ＡｌＮ層４ｃは、ｐ型コンタクト層４ｂと組成が異なる。本発明に係るｐ側クラッド層４ａは、電子を閉じ込めるため、およびホールを活性層に供給するための層（例えば、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層など）であり、ｐ側ＡｌＮ層４ｃとは異なり、電流拡散の効果が殆ど無い層である。
【００１４】
ｐ型コンタクト層４ｂおよびｐ側ＡｌＮ層４ｃは互いに組成が異なり、従って格子定数が異なる。そのため、窒化物半導体素子に電圧をかけると、ｐ型コンタクト層４ｂとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの界面において格子定数差によるピエゾ電界が発生する。これによって、界面におけるキャリア移動度が増大し、前記界面において電流が横方向に拡散される（即ち、正孔が横方向に拡散される）。図１ａに示す従来の窒化物半導体素子と比較して、本発明の窒化物半導体素子において電流が拡散される様子を、図１ｂにおいて矢印で模式的に示している。ｐ型コンタクト層４ｂとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの界面において電流が拡散されることにより、ｐ側クラッド層４ａおよび活性層３の一部に電流が集中して注入されることがなくなり、比較的結晶性の脆いｐ側クラッド層４ａおよび活性層３が保護され、静電耐圧特性が向上する。更に、ｐ型コンタクト層４ｂとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの界面において正孔の横方向への拡散が促進されることにより、活性層３のより広範囲の領域において電子と正孔との再結合、即ち発光が起こり、光取り出し効率が向上し得る。なお、ｐ側ＡｌＮ層４ｃは、安定した混晶比で半導体結晶を成長させることができるため、電流が部分的に集中することなく均一に拡散することができる。
【００１５】
ｐ側ＡｌＮ層４ｃの厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍ、更に好ましくは１ｎｍ〜３ｎｍである。ｐ側ＡｌＮ層４ｃの厚さが１ｎｍ以上である場合、ｐ側ＡｌＮ層４ｃとｐ型コンタクト層４ｂとの界面におけるキャリア移動度の増加が顕著であり、従って静電耐圧特性を効率的に向上させることができる。また、ｐ側ＡｌＮ層４ｃの厚さが１０ｎｍ以下である場合、ｐ側ＡｌＮ層４ｃ自体の抵抗を低く抑えることができ、順方向電圧Ｖｆの増加を軽減することができる。
【００１６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側ＡｌＮ層と活性層との間にｐ側クラッド層を更に有し、ｐ側クラッド層とｐ側ＡｌＮ層との間にアンドープＧａＮ層を有するものである。
本発明の第２の実施形態に係る半導体素子は、例えば図２に示すような積層構造を有する。本発明の第２の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側クラッド層４ａとｐ側ＡｌＮ層４ｃとの間にアンドープＧａＮ層（以下、ｐ側アンドープＧａＮ層ともよぶ）４ｄを更に有する以外は、第１の実施形態の半導体素子と同様の構造を有するものである。ｐ側アンドープＧａＮ層４ｄは、ｐ側窒化物半導体層４のシート抵抗を下げるための層であり、ｐ側アンドープＧａＮ層４ｄ内を電流が拡散することによって静電耐圧特性をさらに向上させることができる。
【００１７】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側ＡｌＮ層と活性層との間にｐ型ＧａＮ層を有するものであり、ＡｌＮ層とｐ型ＧａＮ層とが接している。本発明の第３の実施形態に係る半導体素子は、ｐ側アンドープＧａＮ層を更に有してよく、ｐ型ＧａＮ層とｐ側アンドープＧａＮ層とが接していてよい。
本発明の第３の実施形態に係る半導体素子は、例えば図３に示すように、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’とｐ型コンタクト層４ｂ”との間に、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’およびｐ型コンタクト層４ｂ”の両方と接するようにｐ側ＡｌＮ層４ｃが設けられる以外は、第１の実施形態の半導体素子と同様の構造を有するものである。
本実施形態におけるｐ型ＧａＮ層は、ＧａＮに限定されるものではなく、例えばＡｌＧａＮやＩｎＧａＮからなる層であってもよく、好ましくはｐ型コンタクト層と同じ組成からなる層である。
また、ｐ側クラッド層４ａとｐ型ＧａＮ層４ｂ’との間に、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’と接するようにｐ側アンドープＧａＮ層（図示しない）を設けてもよい。これにより、ｐ型ＧａＮ層４ｂ’にドープされたｐ型不純物がｐ側アンドープＧａＮ層に微量に拡散されるため、ｐ側アンドープＧａＮ層自体の抵抗を低く抑えることができ、順方向電圧Ｖｆの増加を軽減したまま静電耐圧特性を更に向上させることができる。
【００１８】
以上、第１〜第３の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、他の実施形態も可能である。
【００１９】
以下に、本発明の一の実施形態に係る発光素子の各構成について詳細に説明するが、以下に説明する全ての構成物が必須ではなく、それらのいくつかを省略または変更することができる。
【００２０】
［基板］
基板は、サファイアのＣ面、Ｒ面、Ａ面の他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）等の絶縁性基板、ＳｉＣ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２１】
［ｎ側窒化物半導体層］
以下に、ｎ側窒化物半導体層の構成について説明する。本実施形態に係るｎ側窒化物半導体層は、少なくとも基板側から順に、バッファ層、ｎ型コンタクト層、アンドープ半導体層およびｎ型多層膜層が積層されている。
【００２２】
（バッファ層）
まず、基板１の上にバッファ層を形成させる。バッファ層は、基板と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和して、結晶性の高い窒化物半導体層をその上に形成するためのものである。バッファ層は、最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。バッファ層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、温度５００〜８００℃で１０〜５０ｎｍの厚さに成長させて形成することが好ましい。
【００２３】
このバッファ層の上に、第２のバッファ層を更に形成してもよい。第２バッファ層は、後述のｎ型コンタクト層よりｎ型不純物のドープ量が少ない、またはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、上述の第１のバッファ層より高い温度、例えば８００〜１３００℃で、０．５〜３μｍの厚さに成長させて形成する。第２バッファ層は、不純物ドープ量が少ない（またはゼロである）ので高い結晶性を有する。そのため、結晶性の高いｎ型コンタクト層をその上に形成することができる。
【００２４】
（ｎ型コンタクト層）
この上にｎ型コンタクト層を形成させる。ｎ型コンタクト層はその組成が特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ又はＧａＮからなる層であることが好ましい。このような組成にすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。具体的には、Ｓｉ等のｎ型不純物を４．５×１０１８／ｃｍ３ドープした窒化物半導体、例えばＧａＮを、温度９００〜１３００℃で１〜１０μｍの厚さに成長させて、ｎ型コンタクト層を形成する。
【００２５】
（アンドープ半導体層）
ｎ型コンタクト層の上にアンドープ半導体層を形成させる。アンドープ半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられる。なかでも、アンドープ半導体層は、ＧａＮ、ｘ及び／又はｙが０．２以下のＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＮが好ましく、更に、ＧａＮからなる層を含むことが好ましい。このような組成により、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が容易に得られる。
アンドープ半導体層は、単層で形成されていてもよいが、多層で形成されていることが好ましい。アンドープ半導体層が多層で形成される場合、その全ての層が、ｎ型不純物を含有しないアンドープ層とすることは必要ではなく、少なくとも１層がアンドープ層であればよい。また特に、アンドープ半導体層は、同じ組成のアンドープ層とドープ層とが交互に積層された層であることが好ましい。これらの交互の積層は、例えば、３層以上であることが好ましく、５層程度以下であることが適しており、アンドープ層とドープ層とのいずれが最下層及び／又は最上層であってもよい。具体的には、例えば、温度９００〜１３００℃でアンドープＧａＮからなる厚さ１００〜２００ｎｍの第１の層を成長させ、その上に、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる厚さ１０〜５０ｎｍの第２の層を成長させ、これを２回繰り返した後に、更にアンドープＧａＮを１〜１０ｎｍの厚さに成長させて、総膜厚が１００〜５００ｎｍのアンドープ半導体層を形成する。不純物がドープされていない、従ってキャリア移動度の高いアンドープＧａＮ層と、不純物がドープされた、従ってキャリア濃度の高い層とが交互に存在することにより、閾値電圧および順方向電圧が低下する。第１の層は、第２の層よりもＳｉドープ量の少ないＳｉドープＧａＮであってもよい。
【００２６】
なお、本明細書において「アンドープ」とは、成膜時に不純物を導入することなく形成された層であって、成膜後および／または製造工程における熱処理等によって上下層から拡散されて不純物が混入された層を意味するのではない。つまり、不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度以下に留められている層を、実質的に「アンドープ」の層と称する。
【００２７】
（ｎ型多層膜層）
アンドープ半導体層の上にｎ型多層膜層を形成させる。ｎ型多層膜層は、組成の異なる少なくとも２種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられる。特に、ｎ型多層膜層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）（第１層）とＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）（第２層）との２種類の組成からなる層が交互に積層されるのが好ましい。第１層は、ｚが小さいほど、つまりアルミニウム含有量が小さいほど、結晶性が良好になるため、ｚ＝０であるＧａＮからなる層が好ましい。第２層は、ｐが０．５以下の層が好ましく、ｐが０．２以下の層がより好ましい。なかでも、ｎ型多層膜層としては、第１層がＧａＮであり、第２層においてｐが０．２以下のＩｎｐＧａ１−ｐＮであるのが好ましい。
また、ｎ型多層膜層を構成する単一層（つまり、第１層又は第２層）の膜厚は特に限定されないが、少なくとも１種類の単一層の膜厚を、１０ｎｍ以下とすることが適しており、７ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。具体的には、例えば、温度９００〜１３００℃でアンドープＧａＮからなる厚さ１〜２ｎｍの第１の層を成長させ、その上に、温度８００〜１０００℃でアンドープＩｎＧａＮからなる厚さ０．５〜１ｎｍの第２の層を成長させ、これを２０回繰り返した後に、更にＧａＮを１０〜２０ｎｍの厚さに成長させて、総膜厚が４０〜８０ｎｍのｎ型多層膜層を形成する。このように単一層の膜厚を薄くすることにより、ｎ型多層膜層が超格子構造となると共に、弾性臨界膜厚以下となり、ｎ型多層膜層における各単一層の結晶性が良好となる。よって、積層が進むにつれて、より結晶性を向上させることができ、光出力の向上を実現させることができる。
【００２８】
［活性層］
活性層として、少なくともＩｎを含んでなる窒化物半導体、好ましくはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を含む井戸層と、障壁層とを有する多重量子井戸構造または単一量子井戸構造を用いることができる。井戸層や障壁層の膜厚は、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とすることが望ましい。特に井戸層は薄い方が好ましく、１０ｎｍ以下、更に好ましくは１〜５ｎｍとすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層が得られる。
活性層が多重量子井戸構造からなる場合、出力の向上、発振閾値の低下などを図ることが可能となる。活性層３が多重量子井戸構造からなる場合、井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でもよい。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けてもよい。
量子井戸構造の活性層に用いる障壁層としては、特に限定されないが、井戸層よりＩｎ含有率の低い窒化物半導体、ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを含むことが望ましい。障壁層の厚さや組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。
【００２９】
［ｐ側窒化物半導体層］
以下に、ｐ側窒化物半導体層の構成について説明する。本実施形態に係るｐ側窒化物半導体層は、少なくとも活性層側から順に、ｐ側クラッド層、ｐ側ＡｌＮ層、ｐ型コンタクト層が積層されている。
【００３０】
（ｐ側クラッド層）
まず、活性層の上に、温度９００〜１０００℃程度でＭｇ等のｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＡｌ含有窒化物半導体、好ましくはＭｇドープＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）を１０〜５０ｎｍの厚さに成長させて、ｐ側クラッド層を形成する。Ａｌ含有窒化物半導体からなるｐ側クラッド層は、活性層の井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいことにより、キャリア閉じ込め層としてはたらく。Ａｌ混晶比が高いほどバンドギャップエネルギーが大きくなるので、ｐ側クラッド層はＡｌＧａＮからなることが好ましい。
【００３１】
（ｐ側ＡｌＮ層）
ｐ側クラッド層の上に、ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮを成長させてｐ側ＡｌＮ層を形成する。ｐ側ＡｌＮ層の厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍ、更に好ましくは１ｎｍ〜３ｎｍである。ｐ側ＡｌＮ層はＭｇ等のｐ型不純物がドープされていてよく、あるいはアンドープであってもよい。電流拡散効果はｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との格子定数の差に起因するので、ｐ側ＡｌＮ層におけるｐ型不純物のドープの有無に関わらず、電流拡散効果を得ることができる。
また更に、ｐ側クラッド層とｐ側ＡｌＮ層との間に、ｐ側アンドープＧａＮ層を５０〜１００ｎｍの厚さで成長させてもよい。ｐ側アンドープＧａＮ層内を電流が拡散することによって、静電耐圧特性をさらに向上させることができる。
【００３２】
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられ、なかでも、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮからなる層が好ましく、ＧａＮからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。具体的には、例えば、ｐ側ＡｌＮ層の上に、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮを１０〜１００ｎｍの厚さに成長させて、ｐ型コンタクト層を形成する。
【００３３】
［ｐ側電極およびｎ側電極］
ｐ側電極およびｎ側電極は、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
例えば本実施形態に係るｐ側電極は、ｐ型コンタクト層の上に、ｐ側透光性電極およびｐ側パッド電極が順に形成して構成される。ｐ側透光性電極は、光の取り出し効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物（ＩＴＯやＺｎＯ等）等が挙げられる。ｎ側電極は、ｐ側窒化物半導体層より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して上部ｎ型コンタクト層を露出させ、露出された上部ｎ型コンタクト層の表面に形成される。
【実施例】
【００３４】
［比較例］
ｐ側ＡｌＮ層を有しない比較例の発光素子を以下の工程で作製した。
【００３５】
（第１バッファ層）
温度６００℃で、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いて、基板上にＡｌＧａＮを約２０ｎｍの厚さに成長させて、第１バッファ層を形成した。
【００３６】
（第２バッファ層）
第１バッファ層を形成した後、ＴＭＧのみを止めて、温度を１０５０℃まで上昇させた。１０５０℃に達した後、原料ガスにＴＭＧおよびアンモニアガスを用いてアンドープＧａＮを約２μｍの厚さに成長させ、第２バッファ層を形成した。
【００３７】
（ｎ型コンタクト層）
次に、温度１０５０℃にて原料ガスにＴＭＧおよびアンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮを約５μｍの厚さに成長させ、ｎ型コンタクト層を形成した。
【００３８】
（アンドープ半導体層）
次に、シランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧおよびアンモニアガスを用いて、アンドープＧａＮからなる第１の層を約１５０ｎｍの厚さに成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加し、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる第２の層を約２０ｎｍの厚さに成長させた。これを繰り返して計２回行い、最後に、シランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる層を約１０ｎｍの厚さに成長させて、５層からなる総厚さ約３５０ｎｍのアンドープ半導体層を形成した。
【００３９】
（ｎ型多層膜層）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮからなる第１の層を約１．５ｎｍ成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて、アンドープＩｎＧａＮからなる第２の層を約１ｎｍ成長させた。そしてこれらの操作を繰り返して交互に２０層ずつ積層させ、最後にＧａＮからなる第１の窒化物半導体層を約１．５ｎｍ成長させて、超格子構造の多層膜からなる総厚さ約５１．５ｎｍのｎ型多層膜層を形成した。
【００４０】
（活性層）
温度９００〜１３００℃程度にてＴＭＧ、アンモニアガスおよびシランガスを用いて、ＳｉドープＧａＮを約３．５ｎｍ成長させた後、シランガスのみを止め、ＧａＮを約１．５ｎｍ成長させて、厚さ約５ｎｍの障壁層を形成した。
次に、温度６００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて、アンドープＩｎＧａＮからなる井戸層を約３ｎｍの厚さに成長させ、続いてＴＭＧおよびアンモニアを用いてアンドープＧａＮからなる障壁層を約５ｎｍの厚さに成長させた。そして、井戸＋障壁＋井戸＋障壁＋・・・・＋障壁の順で井戸層を９層、障壁層を９層、交互に積層して、総厚さ約８０ｎｍの多重量子井戸構造からなる活性層を形成した。
【００４１】
（ｐ側クラッド層）
次に、温度９００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアおよびＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＡｌＧａＮを約１０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ側クラッド層を形成した。
【００４２】
（ｐ側アンドープＧａＮ層）
次に、温度１０５０℃にてＴＭＧおよびアンモニアガスを用いて、アンドープＧａＮを約８０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ側アンドープＧａＮ層を形成した。
【００４３】
（ｐ型ＧａＮコンタクト層）
ｐ側アンドープＧａＮ層の上に、温度１０５０℃にてＴＭＧ、アンモニアおよびＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮを約５０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ型コンタクト層を形成した。
【００４４】
（電極）
次に、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側から約１．５μｍの深さでエッチングを行い、ｎ型コンタクト層の表面を露出させた。
続いて、ｐ型コンタクト層上のほぼ全面にＩＴＯからなるｐ側透光性電極を形成した。次に、形成したｐ側透光性電極上およびエッチングにより露出させたｎ型コンタクト層上に、ｐ側パッド電極およびｎ側電極をそれぞれ形成した。
【００４５】
最後に、ウェハを各チップに切断して発光素子を得た。
【００４６】
［実施例１］
実施例１の発光素子は、ｐ側アンドープＧａＮ層とｐ型コンタクト層との間に、温度９５０〜１３５０℃程度でＴＭＡおよびアンモニアを用いてＡｌＮからなるｐ側ＡｌＮ層を約１．０ｎｍの厚さに成長させる以外は比較例と同様の手順で作製した。
【００４７】
［実施例２］
実施例２の発光素子は、ｐ側ＡｌＮ層の厚さを２．０ｎｍにする以外は実施例１と同様の手順で作製した。
【００４８】
［実施例３］
実施例３の発光素子は、ｐ側ＡｌＮ層の厚さを３．０ｎｍにする以外は実施例１と同様の手順で作製した。
【００４９】
比較例および実施例１〜３の窒化物半導体素子の構成を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
（キャリア移動度試験）
厚さ３μｍのアンドープＧａＮの上に、厚さ０〜１０ｎｍのＡｌＮを成長させ、更にその上にアンドープＧａＮを３０ｎｍ成長させて、ＡｌＮ層の厚さの異なるサンプルを作製した。このようにして得られた各サンプルのキャリア移動度を、ホール測定装置を用いてｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によって測定した。結果を図４に示す。図４より、ＡｌＮ層の厚さが１〜１０ｎｍの場合にキャリア移動度が増大することがわかる。
【００５２】
（ｐ側ＡｌＮ層の厚さと静電耐圧特性との関係）
実施例１〜３および比較例に関して、電圧を徐々に上げていき（ステップ印加）、５０Ｖ、３００Ｖおよび５００Ｖの電圧が印加されたときの破壊数を調べて破壊率を算出した。試験結果を表２に示す。ｐ側ＡｌＮ層を挿入することにより、破壊率が低下した。ｐ側ＡｌＮ層を挿入することでピエゾ効果により電流拡散性が良くなる（シート抵抗が軽減される）ため、静電耐圧特性が改善したと考えられる。印加電圧が３００Ｖおよび５００Ｖの場合、ｐ側ＡｌＮ層の厚さが２．０ｎｍおよび３．０ｎｍである実施例２および３の破壊率は、ｐ側ＡｌＮ層の厚さが１．０ｎｍである実施例１の破壊率より低くなった。
【００５３】
【表２】
【００５４】
（光取り出し効率測定）
実施例１〜３および比較例に関して、光出力（Ｐｏ）を測定した。結果を表３に示す。ｐ側ＡｌＮ層の厚さが１．０ｎｍの場合にＰｏが最大となり、光取り出し効率が最も良い結果になった。
【００５５】
（順方向電圧測定）
実施例１〜３および比較例に関して、２０ｍＡおよび７０ｍＡにおける順方向電圧Ｖｆを測定した。結果を表３に示す。ｐ側ＡｌＮ層の厚さが３．０ｎｍに増加しても、順方向電圧は同程度のままであった。
【００５６】
【表３】
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の窒化物半導体素子は、優れた静電耐圧特性を有する。
【符号の説明】
【００５８】
１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
３ 活性層
４ ｐ側窒化物半導体層
４ａ ｐ側クラッド層
４ｂ ｐ型コンタクト層
４ｃ ｐ側ＡｌＮ層
４ｄ ｐ側アンドープＧａＮ層
４ｂ’ 下部ｐ型コンタクト層
４ｂ” 上部ｐ型コンタクト層
５ａ ｐ側電極層
５ｂ ｐ側パッド電極
６ ｎ側電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層において、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と前記ＡｌＮ層とが接していることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ＡｌＮ層の厚さが１ｎｍ〜１０ｎｍである請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ側クラッド層を更に有し、前記ｐ側クラッド層と前記ＡｌＮ層との間にアンドープＧａＮ層を有する請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ型ＧａＮ層を有し、前記ＡｌＮ層と前記ｐ型ＧａＮ層とが接している請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ｐ型ＧａＮ層と前記アンドープＧａＮ層とが接している請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１】
基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体素子であって、
前記ｐ型窒化物半導体層において、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と前記ＡｌＮ層とが接していることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ＡｌＮ層の厚さが１ｎｍ〜１０ｎｍである請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ側クラッド層を更に有し、前記ｐ側クラッド層と前記ＡｌＮ層との間にアンドープＧａＮ層を有する請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ＡｌＮ層と前記活性層との間にｐ型ＧａＮ層を有し、前記ＡｌＮ層と前記ｐ型ＧａＮ層とが接している請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ｐ型ＧａＮ層と前記アンドープＧａＮ層とが接している請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８４７０７（Ｐ２０１３−８４７０７Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２６４８（Ｐ２０１１−２２２６４８）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【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５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【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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