窒化物系化合物半導体発光素子
【課題】 発効効率が高く寿命の長い窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 Ａｌ2Ｏ3を主成分とするＡｌ2Ｏ3基板１１０と、Ａｌ2Ｏ3基板１１０上に形成されている、不純物を含有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）（たとえば、ＧａＮ層１２０）とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。ここで、上記基板のＡｌ2Ｏ3成分を５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満とすること、上記基板の厚さを１μｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、上記不純物を、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかとすること、上記不純物の濃度を、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲とすることができる。
【解決手段】 Ａｌ2Ｏ3を主成分とするＡｌ2Ｏ3基板１１０と、Ａｌ2Ｏ3基板１１０上に形成されている、不純物を含有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）（たとえば、ＧａＮ層１２０）とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。ここで、上記基板のＡｌ2Ｏ3成分を５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満とすること、上記基板の厚さを１μｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、上記不純物を、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかとすること、上記不純物の濃度を、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲とすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視領域から紫外光領域で発光可能な窒化物系化合物半導体発光素子に関し、特に、Ａｌ2Ｏ3を主成分とする導電性基板を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は、各化合物半導体層の組成を調整することで紫外域から赤外域までの幅広い波長で発光させることができるため、広い分野に応用されている。
【０００３】
従来の窒化物系化合物半導体発光素子は、たとえば、図２に示すように、サファイア基板２１０上に、バッファ層２２０としてＡｌＮ層が設けられ、このバッファ層２２０上に、Ｓｉ（シリコン）がドープされたｎ型のＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３０が形成されている。ｎ型コンタクト層２３０上に、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）組成の多重量子井戸からなる活性層２４０が形成されている。この活性層２４０上に、Ｍｇ（マグネシウム）がドープされたｐ型のＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦１）からなるｐ型クラッド層２５０が形成され、このｐ型クラッド層２５０上に、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層２６０が形成されている。さらに、ｐ型コンタクト層２６０の表面にｐ側電極２８０が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ型コンタクト層２３０の表面にｎ側電極２７０が設けられている（たとえば、特許文献１および特許文献２を参照）。
【０００４】
上記のような従来の窒化物系化合物半導体発光素子は、Ａｌ2Ｏ3を主成分とするサファイア基板上にＡｌＮ層を形成する場合には、このＡｌＮ層に不純物を添加するとＡｌＮ層および／またはその上に形成される層の結晶性が悪化し発光効率が低下するため、このＡｌＮ層には不純物が添加されていない。このように、従来の窒化物系化合物半導体発光素子においては、基板上に成長させるエピタキシャル層に不純物が混入するのを防止するために、Ａｌ2Ｏ3成分が、少なくとも９９．９９９９９９９モル％（９Ｎ）以上、好ましくは９９．９９９９９９９９９モル％（１１Ｎ）以上の高純度のサファイア基板が用いられてきた。
【０００５】
しかし、従来の窒化物系化合物半導体発光素子について、より一層の発効効率の向上および寿命の長期化が求められていた。
【特許文献１】特開平８−２９３６４３号公報
【特許文献２】特許第３１８２３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、発効効率が高く寿命の長い窒化物系化合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】
【０００７】
本発明は、Ａｌ2Ｏ3を主成分とする基板と、この基板上に形成されている、不純物を含有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子である。
【０００８】
本発明にかかる特化物系化合物半導体発光素子において、基板のＡｌ2Ｏ3成分を５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満とすることができる。また、基板の厚さを１μｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、基板は、Ａｌ2Ｏ3成分以外に、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれか、ＴｉおよびＣ、またはＴｉおよびＮを含有することができる。
【０００９】
また、本発明にかかる特化物系化合物半導体発光素子において、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さを１ｎｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている不純物をＯ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかとすることができる。さらに、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている不純物の濃度を１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように、本発明によれば、発効効率が高く寿命の長い窒化物系化合物半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施形態１）
本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子は、図１を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であるＡｌ2Ｏ3基板１１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ層１２０、ｎ型ＧａＮ層１３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ（多重量子井戸）発光層（０≦ｖ≦１）１４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１５０およびｐ型ＧａＮ層１６０が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＮ層１３０の一部が露出されて、その露出部分上にｎ側電極１７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１６０上にｐ側電極１８０が形成されている。ここで、ＧａＮ層１２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．３とするが、他の組成比とすることも可能である。
【００１２】
上記の窒化物系化合物半導体発光素子は、以下のようにして作製される。すなわち、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により、Ａｌ2Ｏ3基板１００上に、ＧａＮ層１２０、ｎ型ＧａＮ層１３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層１４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１５０、ｐ型ＧａＮ層１６０を順次積層させた。各層の原材料としては、Ｎ源としてＮＨ3を、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）を、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いており、ＧａＮ層１２０の成長温度は１１５０℃、ｎ型ＧａＮ層１３０の成長温度は１１００℃、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層１４０の成長温度は６００℃〜９００℃、ｐ型ＧａＮ層１６０の成長温度は１０００℃とした。
【００１３】
尚、本実施形態においてはＭＯＣＶＤ法により積層しているが、他の方法、たとえばＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法などを用いて積層してもよい。
【００１４】
また、エッチングによりｎ型ＧａＮ層１３０の一部を露出させて、露出部分上にｎ側電極１７０を形成し、ｐ型ＧａＮ層１６０上にｐ側電極１８０を形成した。ｎ側電極１７０およびｐ側電極１８０の形成方法としては、ＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着法を用いた。また、ｎ側電極の構成としてはｎ型ＧａＮ層１３０側からＨｆ／Ａｌとした。なお、ｎ側電極の他の構成としてはＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｕなどを用いることができる。ｐ側電極の構成としてはｐ型ＧａＮ層１６０側からＰｄ／Ａｕとした。なお、本実施形態においては、ｐ側電極の材料として、ＰｄおよびＡｕを用いたが、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）やＮｉなどの材料を用いてもよい。
【００１５】
本実施形態においては、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％のＡｌ2Ｏ3基板を用いたが、Ａｌ2Ｏ3基板のＡｌ2Ｏ3成分量と発光強度との関係は、図３に示すとおりである。図３から明らかなように、発光素子の発光強度を高める観点から、Ａｌ2Ｏ3基板のＡｌ2Ｏ3成分は、５１モル％以上９９．９９９９９９モル％（８Ｎ）未満であることが好ましく、４０モル％以上９９．９９９モル％（５Ｎ）未満であることがより好ましい。
【００１６】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板が、上記Ａｌ2Ｏ3成分以外に、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれかを含有することが好ましい。Ａｌ2Ｏ3基板が上記元素を含有することにより、発光素子の発光強度が増大する。Ａｌ2Ｏ3基板に含有される元素は、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれかが単独であってもよく、これらの元素が複数であってもよい。特に、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉおよびＣを含有する発光素子は、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉを単独に含有する発光素子に比べて、発光の寿命が長くなった。また、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉおよびＮを含有する発光素子は、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉを単独に含有する発光素子に比べて、発光素子の順電圧Ｖｆが低減した。なお、Ａｌ2Ｏ3基板の成分の分析は、Ｘ（エックス）線回折法およびＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によるＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分光）法、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法により行なった。
【００１７】
本実施形態においては、Ａｌ2Ｏ3基板の厚さと内部量子効率の関係は、図４に示すとおりである。図４から明らかなように、内部量子効率を高める観点から、Ａｌ2Ｏ3基板の厚さは１μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、Ａｌ2Ｏ3基板の厚さの測定は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）および光学顕微鏡を用いて行なった。
【００１８】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層のひとつ（ｘ＝０、ｙ＝０の場合）であるＧａＮ層１２０の厚さと内部量子効率との関係は、図５に示すとおりである。図５から明らかなように、ＧａＮ層の厚さが１ｎｍ以上とすると内部量子効率が向上する。一方、ＧａＮ１２０層は、厚さ５ｍｍまではクラックを発生することなく成長させることができたが、厚さ１０ｍｍまで成長させたところクラックが発生し、発光素子として用いることができなくなった。以上のことより、内部量子効率を高め、クラックのないＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層を成長させる観点から、基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さは１ｎｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さの測定は、ＳＥＭ、ＴＥＭおよび光学顕微鏡を用いて行なった。
【００１９】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層のひとつであるＧａＮ層１２０に不純物としてＣが含有される場合の発光スペクトルは、図６に示すとおりである。図６において、曲線６１０はＧａＮ層１２０に不純物が含有されていない発光素子の発光スペクトルを示し、曲線６２０はＧａＮ層１２０に不純物としてＣが１×１０17ｃｍ-3含有されている発光素子の発光スペクトルを示す。図６から明らかなように、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に不純物を含有させることにより、発光素子の発光強度を向上させることができる。
【００２０】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層のひとつであるＧａＮ層１２０に含有される不純物の濃度と発光強度との関係は、図７に示すとおりである。図７において、曲線７１０は不純物がＣ、曲線７２０は不純物がＯ、曲線７３０は不純物がＧｅ、曲線７４０は不純物がＳｉ、曲線７５０は不純物がＣａ、曲線７６０は不純物がＢｅ、曲線７７０は不純物がＭｇの場合における不純物の濃度と発光強度との関係を示す。図７から明らかなように、不純物がＯ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃａ、ＢｅおよびＭｇのいずれの場合であっても、これらの不純物が含有されることにより、発光強度が大きくなった。また、発光強度を増大させる観点から、不純物の濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２１】
また、ＧａＮ層１２０に含有されている不純物が以下の元素の場合は、上記の発光強度の増大の効果に加えて、以下の効果が認められた。すなわち、不純物がＯの場合は、発光素子の寿命が長くなった。不純物がＳｉの場合は、発光素子の寿命が長くなるとともに順電圧Ｖｆが低減した。不純物がＧｅの場合は、発光素子の順電圧Ｖｆが低減した。不純物がＢｅの場合は、発光素子の順電圧Ｖｆが低減するとともに表面モフォロジがよくなった。不純物がＭｇの場合は、発光素子の寿命が長くなり順電圧Ｖｆが低減するとともに表面モフォロジがよくなった。不純物がＣａの場合は、発光素子の表面モフォロジがよくなった。
【００２２】
なお、本実施形態においては、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１２０の成長の際に不純物を添加しているが、他の方法によって不純物を添加することもできる。
【００２３】
（実施形態２）
本発明にかかる他の窒化物系化合物半導体発光素子は、図８を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板８１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ層８２０、ｎ型ＧａＮ層８３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）８４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）８５０およびｐ型ＧａＮ層８６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板８１０（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が形成されていない主面）上にｎ側電極８７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層８６０上にｐ側電極８８０が形成されている。ここで、ＧａＮ層８２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層８５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１としたこと、ｎ側電極８７０がｎ型ＧａＮ層１３０の露出部上ではなくＡｌ2Ｏ3基板８１０上に形成されていること以外は実施形態１と同様である。
【００２４】
本実施形態においては、発光素子の基板としてＡｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板を用いているため、このＡｌ2Ｏ3基板に含まれる不純物により、このＡｌ2Ｏ3基板の一方の主面から反対側の主面への電気的接続が可能となり、このＡｌ2Ｏ3基板を挟んで両側に発光素子の電極を設けることが可能となる。本実施形態においては、不純物としてＴｉとＣとが含まれるＡｌ2Ｏ3基板を用いたが、Ｃに替えて、Ｎが含まれるＡｌ2Ｏ3基板であってもよい。また、不純物としてＴｉ、ＣおよびＮのうちいずれかのみが含まれるＡｌ2Ｏ3基板、Ｔｉ、ＣおよびＮのすべてが含まれるＡｌ2Ｏ3基板であってもよい。また、上記不純物を適量含む観点から、Ａｌ2Ｏ3基板のＡｌ2Ｏ3成分は、５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満であることが好ましい。
【００２５】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＧａＮ層が本実施形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する実施形態１の発光素子の発光強度の２倍となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００２６】
（実施形態３）
本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子は、図９を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板９１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ層９２０、ｐ型ＧａＮ層９６０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）９５０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）９４０およびｎ型ＧａＮ層９３０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板９１０上にｐ側電極９８０が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層９３０上にｎ側電極９７０が形成されている。ここで、ＧａＮ層９２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層９５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２とし、ｐ型層とｎ型層との配置を逆にしたものに相当する。
【００２７】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＧａＮ層が本実施形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する実施形態２の発光素子の発光強度の１．２倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の２．４倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００２８】
（実施形態４）
本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子は、図１０を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１０１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０２０、ｎ型ＧａＮ層１０３０、ＩｎzＧａ1-zＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｚ≦１）１０４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１０５０およびｐ型ＧａＮ層１０６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１０１０上にｎ側電極１０７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１０６０上にｐ側電極１０８０が形成されている。ここで、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95層１０２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１０５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．３５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてＧａＮ層をＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層に置き換え、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．３５としたものに相当する。
【００２９】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が本実施例形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する（すなわち、図１０のＩｎ0.05Ｇａ0.95層１０２０と図８のＧａＮ層８２０とが同一の種類および濃度の不純物を含有する）実施形態２の発光素子の発光強度の１．５倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の３．０倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３０】
（実施形態５）
本発明にかかるさらに他の窒化物化合物半導体発光素子は、図１１を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１１１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１１２０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）１１４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１１５０およびｐ型ＧａＮ層１１６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１１１０上にｎ側電極１１７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１１６０上にｐ側電極１１８０が形成されている。ここで、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１１２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１１５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態４においてｎ型ＧａＮ層を除き、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２５としたものに相当する。
【００３１】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層が本実施形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する実施形態４の発光素子の発光強度の１．１倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の３．３倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３２】
（実施形態６）
本発明にかかるさらに他の窒化物化合物半導体発光素子は、図１２を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１２１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１２２０、ｎ型ＧａＮ層１２３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）１２４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１２５０およびｐ型ＧａＮ層１２６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１２１０上にｎ側電極１２７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１２６０上にｐ側電極１２８０が形成されている。ここで、Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１２２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１２５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてＧａＮ層をＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層に置き換え、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５としたものに相当する。
【００３３】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が本実施例形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する（すなわち、図１２のＩｎ0.02Ｇａ0.98層１２２０と図８のＧａＮ層８２０とが同一の種類および濃度の不純物を含有する）実施形態２の発光素子の発光強度の１．６倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の３．２倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３４】
（実施形態７）
本発明にかかるさらに他の窒化物化合物半導体発光素子は、図１３を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１３１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＩｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層１３２０、ｎ型ＧａＮ層１３３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）１３４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１３５０およびｐ型ＧａＮ層１３６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１３１０上にｎ側電極１３７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１３６０上にｐ側電極１３８０が形成されている。ここで、Ｉｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層１３２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１３５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてＧａＮ層をＩｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層に置き換え、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５としたものに相当する。
【００３５】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が本実施例形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する（すなわち、図１３のＩｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層１３２０と図８のＧａＮ層８２０とが同一の種類および濃度の不純物を含有する）実施形態２の発光素子の発光強度の１．４倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の２．８倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３６】
今回開示された実施の形態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のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図２】従来の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図３】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子における基板中のＡｌ2Ｏ3成分と内部量子効率との関係を示す図である。
【図４】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子における基板の厚さと内部量子効率との関係を示す図である。
【図５】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子におけるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（ｘ＝０、ｙ＝０）の厚さと内部量子効率との関係を示す図である。
【図６】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【図７】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子におけるＧａＮ層中の不純物の濃度と発光強度との関係を示す図である。
【図８】本発明にかかる他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図９】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１０】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１１】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１２】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１３】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１０，８１０，９１０，１０１０，１１１０，１２１０，１３１０ Ａｌ2Ｏ3基板、１２０，８２０，９２０ ＧａＮ層、１３０，８３０，９３０，１０３０，１２３０，１３３０ ｎ型ＧａＮ層、１４０，８４０，９４０，１０４０，１１４０，１２４０，１３４０ ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層、１５０，８５０，９５０，１０５０，１１５０，１２５０，１３５０ ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層、１６０，８６０，９６０，１０６０，１１６０，１２６０，１３６０ ｐ型ＧａＮ層、１７０，２７０，８７０，９７０，１０７０，１１７０，１２７０，１３７０ ｎ側電極、１８０，２８０，８８０，９８０，１０８０，１１８０，１２８０，１３８０ ｐ側電極、２１０ サファイア基板、２２０ バッファ層、２３０ ｎ型コンタクト層、２４０ 活性層、２５０ ｐ型クラッド層、２６０ ｐ型コンタクト層、６１０ ＧａＮ層に不純物が含有されていない発光素子の発光スペクトル、６２０ ＧａＮ層に不純物としてＣが含有されている発光素子の発光スペクトル、７１０ 不純物がＣの場合の曲線、７２０ 不純物がＯの場合の曲線、７３０ 不純物がＧｅの場合の曲線、７４０ 不純物がＳｉの場合の曲線、７５０ 不純物がＣａの場合の曲線、７６０ 不純物がＢｅの場合の曲線、７７０ 不純物がＭｇの場合の曲線、１０２０，１１２０ Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、１２２０ Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層、１３２０ Ｉｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視領域から紫外光領域で発光可能な窒化物系化合物半導体発光素子に関し、特に、Ａｌ2Ｏ3を主成分とする導電性基板を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体を用いた発光素子は、各化合物半導体層の組成を調整することで紫外域から赤外域までの幅広い波長で発光させることができるため、広い分野に応用されている。
【０００３】
従来の窒化物系化合物半導体発光素子は、たとえば、図２に示すように、サファイア基板２１０上に、バッファ層２２０としてＡｌＮ層が設けられ、このバッファ層２２０上に、Ｓｉ（シリコン）がドープされたｎ型のＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３０が形成されている。ｎ型コンタクト層２３０上に、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）組成の多重量子井戸からなる活性層２４０が形成されている。この活性層２４０上に、Ｍｇ（マグネシウム）がドープされたｐ型のＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦１）からなるｐ型クラッド層２５０が形成され、このｐ型クラッド層２５０上に、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層２６０が形成されている。さらに、ｐ型コンタクト層２６０の表面にｐ側電極２８０が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ型コンタクト層２３０の表面にｎ側電極２７０が設けられている（たとえば、特許文献１および特許文献２を参照）。
【０００４】
上記のような従来の窒化物系化合物半導体発光素子は、Ａｌ2Ｏ3を主成分とするサファイア基板上にＡｌＮ層を形成する場合には、このＡｌＮ層に不純物を添加するとＡｌＮ層および／またはその上に形成される層の結晶性が悪化し発光効率が低下するため、このＡｌＮ層には不純物が添加されていない。このように、従来の窒化物系化合物半導体発光素子においては、基板上に成長させるエピタキシャル層に不純物が混入するのを防止するために、Ａｌ2Ｏ3成分が、少なくとも９９．９９９９９９９モル％（９Ｎ）以上、好ましくは９９．９９９９９９９９９モル％（１１Ｎ）以上の高純度のサファイア基板が用いられてきた。
【０００５】
しかし、従来の窒化物系化合物半導体発光素子について、より一層の発効効率の向上および寿命の長期化が求められていた。
【特許文献１】特開平８−２９３６４３号公報
【特許文献２】特許第３１８２３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、発効効率が高く寿命の長い窒化物系化合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】
【０００７】
本発明は、Ａｌ2Ｏ3を主成分とする基板と、この基板上に形成されている、不純物を含有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子である。
【０００８】
本発明にかかる特化物系化合物半導体発光素子において、基板のＡｌ2Ｏ3成分を５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満とすることができる。また、基板の厚さを１μｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、基板は、Ａｌ2Ｏ3成分以外に、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれか、ＴｉおよびＣ、またはＴｉおよびＮを含有することができる。
【０００９】
また、本発明にかかる特化物系化合物半導体発光素子において、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さを１ｎｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている不純物をＯ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかとすることができる。さらに、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている不純物の濃度を１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように、本発明によれば、発効効率が高く寿命の長い窒化物系化合物半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施形態１）
本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子は、図１を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であるＡｌ2Ｏ3基板１１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ層１２０、ｎ型ＧａＮ層１３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ（多重量子井戸）発光層（０≦ｖ≦１）１４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１５０およびｐ型ＧａＮ層１６０が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＮ層１３０の一部が露出されて、その露出部分上にｎ側電極１７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１６０上にｐ側電極１８０が形成されている。ここで、ＧａＮ層１２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．３とするが、他の組成比とすることも可能である。
【００１２】
上記の窒化物系化合物半導体発光素子は、以下のようにして作製される。すなわち、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により、Ａｌ2Ｏ3基板１００上に、ＧａＮ層１２０、ｎ型ＧａＮ層１３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層１４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１５０、ｐ型ＧａＮ層１６０を順次積層させた。各層の原材料としては、Ｎ源としてＮＨ3を、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）を、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いており、ＧａＮ層１２０の成長温度は１１５０℃、ｎ型ＧａＮ層１３０の成長温度は１１００℃、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層１４０の成長温度は６００℃〜９００℃、ｐ型ＧａＮ層１６０の成長温度は１０００℃とした。
【００１３】
尚、本実施形態においてはＭＯＣＶＤ法により積層しているが、他の方法、たとえばＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法などを用いて積層してもよい。
【００１４】
また、エッチングによりｎ型ＧａＮ層１３０の一部を露出させて、露出部分上にｎ側電極１７０を形成し、ｐ型ＧａＮ層１６０上にｐ側電極１８０を形成した。ｎ側電極１７０およびｐ側電極１８０の形成方法としては、ＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着法を用いた。また、ｎ側電極の構成としてはｎ型ＧａＮ層１３０側からＨｆ／Ａｌとした。なお、ｎ側電極の他の構成としてはＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｕなどを用いることができる。ｐ側電極の構成としてはｐ型ＧａＮ層１６０側からＰｄ／Ａｕとした。なお、本実施形態においては、ｐ側電極の材料として、ＰｄおよびＡｕを用いたが、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）やＮｉなどの材料を用いてもよい。
【００１５】
本実施形態においては、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％のＡｌ2Ｏ3基板を用いたが、Ａｌ2Ｏ3基板のＡｌ2Ｏ3成分量と発光強度との関係は、図３に示すとおりである。図３から明らかなように、発光素子の発光強度を高める観点から、Ａｌ2Ｏ3基板のＡｌ2Ｏ3成分は、５１モル％以上９９．９９９９９９モル％（８Ｎ）未満であることが好ましく、４０モル％以上９９．９９９モル％（５Ｎ）未満であることがより好ましい。
【００１６】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板が、上記Ａｌ2Ｏ3成分以外に、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれかを含有することが好ましい。Ａｌ2Ｏ3基板が上記元素を含有することにより、発光素子の発光強度が増大する。Ａｌ2Ｏ3基板に含有される元素は、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれかが単独であってもよく、これらの元素が複数であってもよい。特に、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉおよびＣを含有する発光素子は、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉを単独に含有する発光素子に比べて、発光の寿命が長くなった。また、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉおよびＮを含有する発光素子は、Ａｌ2Ｏ3基板がＴｉを単独に含有する発光素子に比べて、発光素子の順電圧Ｖｆが低減した。なお、Ａｌ2Ｏ3基板の成分の分析は、Ｘ（エックス）線回折法およびＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によるＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分光）法、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法により行なった。
【００１７】
本実施形態においては、Ａｌ2Ｏ3基板の厚さと内部量子効率の関係は、図４に示すとおりである。図４から明らかなように、内部量子効率を高める観点から、Ａｌ2Ｏ3基板の厚さは１μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、Ａｌ2Ｏ3基板の厚さの測定は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）および光学顕微鏡を用いて行なった。
【００１８】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層のひとつ（ｘ＝０、ｙ＝０の場合）であるＧａＮ層１２０の厚さと内部量子効率との関係は、図５に示すとおりである。図５から明らかなように、ＧａＮ層の厚さが１ｎｍ以上とすると内部量子効率が向上する。一方、ＧａＮ１２０層は、厚さ５ｍｍまではクラックを発生することなく成長させることができたが、厚さ１０ｍｍまで成長させたところクラックが発生し、発光素子として用いることができなくなった。以上のことより、内部量子効率を高め、クラックのないＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層を成長させる観点から、基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さは１ｎｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さの測定は、ＳＥＭ、ＴＥＭおよび光学顕微鏡を用いて行なった。
【００１９】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層のひとつであるＧａＮ層１２０に不純物としてＣが含有される場合の発光スペクトルは、図６に示すとおりである。図６において、曲線６１０はＧａＮ層１２０に不純物が含有されていない発光素子の発光スペクトルを示し、曲線６２０はＧａＮ層１２０に不純物としてＣが１×１０17ｃｍ-3含有されている発光素子の発光スペクトルを示す。図６から明らかなように、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に不純物を含有させることにより、発光素子の発光強度を向上させることができる。
【００２０】
本実施形態において、Ａｌ2Ｏ3基板上に形成されるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層のひとつであるＧａＮ層１２０に含有される不純物の濃度と発光強度との関係は、図７に示すとおりである。図７において、曲線７１０は不純物がＣ、曲線７２０は不純物がＯ、曲線７３０は不純物がＧｅ、曲線７４０は不純物がＳｉ、曲線７５０は不純物がＣａ、曲線７６０は不純物がＢｅ、曲線７７０は不純物がＭｇの場合における不純物の濃度と発光強度との関係を示す。図７から明らかなように、不純物がＯ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃａ、ＢｅおよびＭｇのいずれの場合であっても、これらの不純物が含有されることにより、発光強度が大きくなった。また、発光強度を増大させる観点から、不純物の濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２１】
また、ＧａＮ層１２０に含有されている不純物が以下の元素の場合は、上記の発光強度の増大の効果に加えて、以下の効果が認められた。すなわち、不純物がＯの場合は、発光素子の寿命が長くなった。不純物がＳｉの場合は、発光素子の寿命が長くなるとともに順電圧Ｖｆが低減した。不純物がＧｅの場合は、発光素子の順電圧Ｖｆが低減した。不純物がＢｅの場合は、発光素子の順電圧Ｖｆが低減するとともに表面モフォロジがよくなった。不純物がＭｇの場合は、発光素子の寿命が長くなり順電圧Ｖｆが低減するとともに表面モフォロジがよくなった。不純物がＣａの場合は、発光素子の表面モフォロジがよくなった。
【００２２】
なお、本実施形態においては、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１２０の成長の際に不純物を添加しているが、他の方法によって不純物を添加することもできる。
【００２３】
（実施形態２）
本発明にかかる他の窒化物系化合物半導体発光素子は、図８を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板８１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ層８２０、ｎ型ＧａＮ層８３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）８４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）８５０およびｐ型ＧａＮ層８６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板８１０（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が形成されていない主面）上にｎ側電極８７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層８６０上にｐ側電極８８０が形成されている。ここで、ＧａＮ層８２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層８５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１としたこと、ｎ側電極８７０がｎ型ＧａＮ層１３０の露出部上ではなくＡｌ2Ｏ3基板８１０上に形成されていること以外は実施形態１と同様である。
【００２４】
本実施形態においては、発光素子の基板としてＡｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板を用いているため、このＡｌ2Ｏ3基板に含まれる不純物により、このＡｌ2Ｏ3基板の一方の主面から反対側の主面への電気的接続が可能となり、このＡｌ2Ｏ3基板を挟んで両側に発光素子の電極を設けることが可能となる。本実施形態においては、不純物としてＴｉとＣとが含まれるＡｌ2Ｏ3基板を用いたが、Ｃに替えて、Ｎが含まれるＡｌ2Ｏ3基板であってもよい。また、不純物としてＴｉ、ＣおよびＮのうちいずれかのみが含まれるＡｌ2Ｏ3基板、Ｔｉ、ＣおよびＮのすべてが含まれるＡｌ2Ｏ3基板であってもよい。また、上記不純物を適量含む観点から、Ａｌ2Ｏ3基板のＡｌ2Ｏ3成分は、５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満であることが好ましい。
【００２５】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＧａＮ層が本実施形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する実施形態１の発光素子の発光強度の２倍となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００２６】
（実施形態３）
本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子は、図９を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板９１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ層９２０、ｐ型ＧａＮ層９６０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）９５０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）９４０およびｎ型ＧａＮ層９３０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板９１０上にｐ側電極９８０が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層９３０上にｎ側電極９７０が形成されている。ここで、ＧａＮ層９２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層９５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２とし、ｐ型層とｎ型層との配置を逆にしたものに相当する。
【００２７】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＧａＮ層が本実施形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する実施形態２の発光素子の発光強度の１．２倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の２．４倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００２８】
（実施形態４）
本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子は、図１０を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１０１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０２０、ｎ型ＧａＮ層１０３０、ＩｎzＧａ1-zＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｚ≦１）１０４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１０５０およびｐ型ＧａＮ層１０６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１０１０上にｎ側電極１０７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１０６０上にｐ側電極１０８０が形成されている。ここで、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95層１０２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１０５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．３５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてＧａＮ層をＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層に置き換え、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．３５としたものに相当する。
【００２９】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が本実施例形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する（すなわち、図１０のＩｎ0.05Ｇａ0.95層１０２０と図８のＧａＮ層８２０とが同一の種類および濃度の不純物を含有する）実施形態２の発光素子の発光強度の１．５倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の３．０倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３０】
（実施形態５）
本発明にかかるさらに他の窒化物化合物半導体発光素子は、図１１を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１１１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１１２０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）１１４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１１５０およびｐ型ＧａＮ層１１６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１１１０上にｎ側電極１１７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１１６０上にｐ側電極１１８０が形成されている。ここで、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１１２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１１５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態４においてｎ型ＧａＮ層を除き、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．２５としたものに相当する。
【００３１】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層が本実施形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する実施形態４の発光素子の発光強度の１．１倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の３．３倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３２】
（実施形態６）
本発明にかかるさらに他の窒化物化合物半導体発光素子は、図１２を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１２１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１２２０、ｎ型ＧａＮ層１２３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）１２４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１２５０およびｐ型ＧａＮ層１２６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１２１０上にｎ側電極１２７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１２６０上にｐ側電極１２８０が形成されている。ここで、Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１２２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１２５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてＧａＮ層をＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層に置き換え、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５としたものに相当する。
【００３３】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が本実施例形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する（すなわち、図１２のＩｎ0.02Ｇａ0.98層１２２０と図８のＧａＮ層８２０とが同一の種類および濃度の不純物を含有する）実施形態２の発光素子の発光強度の１．６倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の３．２倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３４】
（実施形態７）
本発明にかかるさらに他の窒化物化合物半導体発光素子は、図１３を参照して、Ａｌ2Ｏ3成分が７０モル％であり不純物として１５モル％のＴｉと１５モル％のＣとを含むＡｌ2Ｏ3基板１３１０上に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＩｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層１３２０、ｎ型ＧａＮ層１３３０、ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層（０≦ｖ≦１）１３４０、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）１３５０およびｐ型ＧａＮ層１３６０が順次積層されている。また、Ａｌ2Ｏ3基板１３１０上にｎ側電極１３７０が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層１３６０上にｐ側電極１３８０が形成されている。ここで、Ｉｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層１３２０は、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかの不純物を含有する。また、本実施形態においてはｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層１３５０のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５とするが、他の組成比とすることも可能である。すなわち、本実施形態は、実施形態２においてＧａＮ層をＩｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層に置き換え、ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層のＩｎ組成比ｐを０、Ａｌ組成比ｑを０．１５としたものに相当する。
【００３５】
本実施形態の発光素子の発光強度は、基板上に形成されているＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層が本実施例形態と同一の種類および濃度の不純物を含有する（すなわち、図１３のＩｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層１３２０と図８のＧａＮ層８２０とが同一の種類および濃度の不純物を含有する）実施形態２の発光素子の発光強度の１．４倍（すなわち実施形態１の発光素子の発光強度の２．８倍）となり、発光強度の高い発光素子が得られた。
【００３６】
今回開示された実施の形態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のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図２】従来の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図３】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子における基板中のＡｌ2Ｏ3成分と内部量子効率との関係を示す図である。
【図４】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子における基板の厚さと内部量子効率との関係を示す図である。
【図５】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子におけるＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（ｘ＝０、ｙ＝０）の厚さと内部量子効率との関係を示す図である。
【図６】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【図７】本発明にかかる一の窒化物系化合物半導体発光素子におけるＧａＮ層中の不純物の濃度と発光強度との関係を示す図である。
【図８】本発明にかかる他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図９】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１０】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１１】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１２】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図１３】本発明にかかるさらに他の窒化物系化合物半導体発光素子を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１０，８１０，９１０，１０１０，１１１０，１２１０，１３１０ Ａｌ2Ｏ3基板、１２０，８２０，９２０ ＧａＮ層、１３０，８３０，９３０，１０３０，１２３０，１３３０ ｎ型ＧａＮ層、１４０，８４０，９４０，１０４０，１１４０，１２４０，１３４０ ＩｎvＧａ1-vＮ−ＭＱＷ発光層、１５０，８５０，９５０，１０５０，１１５０，１２５０，１３５０ ｐ型ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ層、１６０，８６０，９６０，１０６０，１１６０，１２６０，１３６０ ｐ型ＧａＮ層、１７０，２７０，８７０，９７０，１０７０，１１７０，１２７０，１３７０ ｎ側電極、１８０，２８０，８８０，９８０，１０８０，１１８０，１２８０，１３８０ ｐ側電極、２１０ サファイア基板、２２０ バッファ層、２３０ ｎ型コンタクト層、２４０ 活性層、２５０ ｐ型クラッド層、２６０ ｐ型コンタクト層、６１０ ＧａＮ層に不純物が含有されていない発光素子の発光スペクトル、６２０ ＧａＮ層に不純物としてＣが含有されている発光素子の発光スペクトル、７１０ 不純物がＣの場合の曲線、７２０ 不純物がＯの場合の曲線、７３０ 不純物がＧｅの場合の曲線、７４０ 不純物がＳｉの場合の曲線、７５０ 不純物がＣａの場合の曲線、７６０ 不純物がＢｅの場合の曲線、７７０ 不純物がＭｇの場合の曲線、１０２０，１１２０ Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、１２２０ Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層、１３２０ Ｉｎ0.05Ａｌ0.02Ｇａ0.93Ｎ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2Ｏ3を主成分とする基板と、前記基板上に形成されている、不純物を含有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板のＡｌ2Ｏ3成分が、５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板の厚さが１μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板が、前記のＡｌ2Ｏ3成分以外に、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれかを含有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板が、前記のＡｌ2Ｏ3成分以外に、ＴｉおよびＣを含有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板が、前記のＡｌ2Ｏ3成分以外に、ＴｉおよびＮを含有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さが、１ｎｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている前記不純物が、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている前記不純物の濃度が、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１】
Ａｌ2Ｏ3を主成分とする基板と、前記基板上に形成されている、不純物を含有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜０．５、０≦ｘ＋ｙ≦１）とを含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板のＡｌ2Ｏ3成分が、５１モル％以上９９．９９９９９９モル％未満であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板の厚さが１μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板が、前記のＡｌ2Ｏ3成分以外に、Ｔｉ、ＣおよびＮのいずれかを含有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板が、前記のＡｌ2Ｏ3成分以外に、ＴｉおよびＣを含有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板が、前記のＡｌ2Ｏ3成分以外に、ＴｉおよびＮを含有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層の厚さが、１ｎｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている前記不純物が、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣａの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ層に含有されている前記不純物の濃度が、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下の範囲であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２１６７３７（Ｐ２００６−２１６７３７Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７２５０（Ｐ２００５−２７２５０）
【出願日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【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１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月３日（２００５．２．３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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