(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層の表面に接触して設けられたｐ側電極と、
を備えた半導体発光素子であって、
前記コンタクト層は、バンドギャップの大きい窒化物半導体層とバンドギャップの小さい窒化物半導体層とを交互に積層させた超格子構造を有し、ｐ型ドーパントが前記バンドギャップの大きい窒化物半導体層に選択的にドープされており、
前記バンドギャップの大きい窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮからなり、
前記バンドギャップの小さい窒化物半導体層は、ＧａＮからなり、
ｐ型ドーパントが前記ＡｌＧａＮに選択的にドープされていることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＮ層においてＡｌがIII族元素全体に占める割合は、０原子％よりも大きく２０原子％よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型ドーパントは、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）及びＣ（炭素）からなる群から選ばれたいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型ドーパントはＭｇ（マグネシウム）であり、そのドープ濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上で１×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ側電極は、酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体からなり、動作電圧を従来よりも低減することができる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮなどの窒化物半導体は、ほぼすべての混晶比において直接遷移型のバンド構造を有していることが予測され、この材料系を用いた発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）や半導体レーザ（laser diode：ＬＤ）などの発光素子は、短波長領域において高い発光効率が得られることが期待されている。
【０００３】
なお、本願において「窒化物半導体」とは、ＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｙ−ｚ）Ｎ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）なる組成式で表現されるすべての組成のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系の発光素子は、活性層にＩｎＧａＮ又はＧａＮを用い、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑えるためにＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．５）のクラッド層を用いる場合が多い。キャリアのオーバーフローを効果的に抑えるためには、少なくとも１０％程度のＡｌ組成が必要である。しかし、Ａｌ組成を上げると、ｐ側電極とのオーミック接触を確保することが困難になり、動作電圧が上がるという問題があった。
【０００５】
動作電圧を低減させる方法として、ＡｌＧａＮクラッド層の上にＭｇをドープしたｐ型ＧａＮまたはｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層を形成する方法が特開平６−２６８２５９号公報及び特開平９−２８９３５１号に記載されている。
【０００６】
図７は、このようなコンタクト層を備えたＬＥＤを例示した概略断面図である。
【０００７】
すなわち、同図のＬＥＤにおいては、サファイア基板１１１の上にバッファ層１１２を介して、ｎ型ＧａＮ層１１３、活性層１１４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１６が順に積層されている。
【０００８】
ｎ型ＧａＮ層１１３の上には、ｎ側電極１６３、ボンディングパッド１６４が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１６の上には、ｐ側電極１６５、ボンディングパッド１６６が形成されている。また、素子の表面は、保護膜１６１、１６２により覆われている。
【０００９】
図７に表された構成によれば、ｐ型ＧａＮコンタクト層に電極１６５を接触させてオーミック接触を確保することにより、動作電圧をある程度下げることができる。
【００１０】
一方、ｐ型コンタクト層の表面付近のマグネシウム（Ｍｇ）濃度を高くして電極との接触抵抗をさらに低減しようとする試みが特許第２６６６２３７号に記載されている。
【００１１】
しかし、これらのいずれの方法によっても、発光素子の動作電圧は３．５ボルト程度と高いという問題があった。
【００１２】
さらに素子の動作電圧を下げる別の方法として、マグネシウムをドープしたｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層を用いる方法が特開平９−２８９３５１号公報に記載されている。すなわち、ＧａＮの代わりにＩｎＧａＮを用いた場合のほうがｐ側電極との間の価電子帯のポテンシャルバリアが下がり、素子の動作電圧を下げることができるというものである。しかし、実際には、ＩｎＧａＮはＧａＮと比べてｐ型化しにくいという問題がある。その結果として、この方法を用いた発光素子は全く実用化されていない。
【００１３】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、動作電圧を低減し、汎用されている電源電圧において安定に動作可能な窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の半導体発光素子は、窒化物半導体からなるコンタクト層と、前記コンタクト層の表面に接触して設けられたｐ側電極と、を備えた半導体発光素子であって、前記コンタクト層は、バンドギャップの大きい窒化物半導体層とバンドギャップの小さい窒化物半導体層とを交互に積層させた超格子構造を有し、ｐ型ドーパントが前記バンドギャップの大きい窒化物半導体層に選択的にドープされており、前記バンドギャップの大きい窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮからなり、前記バンドギャップの小さい窒化物半導体層は、ＧａＮからなり、ｐ型ドーパントが前記ＡｌＧａＮに選択的にドープされていることを特徴とするものである。
【００１５】
一方、前記ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）またはＣ（炭素）を用いることができる。
【００１６】
ｐ型ドーパントがＭｇ（マグネシウム）の場合には、そのドープ濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上で１×１０２０ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【００１７】
一方、ｐ側電極は、ＩＴＯなどの酸化物を含むものでも良い。特に、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との超格子によりコンタクト層を形成した場合には、ＩＴＯ層を有するｐ側電極に対して良好な結果が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。すなわち、同図はＬＥＤの断面構造を例示し、図中３１はサファイア基板、３２はＧａＮバッファ層、３３はｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層、３４は５層ＭＱＷ型ＩｎＧａＮ活性層、３５はｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）層、３６は、超格子コンタクト層である。
【００２０】
ここで、超格子コンタクト層は、ｐ側電極１６５に対して接触する半導体層であり、硬度の高い窒化物半導体層と硬度の低い窒化物半導体層とを交互に積層させた超格子構造を有し、ｐ型ドーパントが前記硬度の高い窒化物半導体層に選択的にドープされている。超格子コンタクト層３６は、具体的には、例えば、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ／ＧａＮ（Ｍｇドープ）変調ドープ超格子構造とすることができる。
【００２１】
図１のＬＥＤの構成をその製造方法に沿って概説すると以下の如くである。
【００２２】
まず、水素ガスを流しながらサファイア基板１１を１１００℃で１０分間加熱し、基板表面の酸化物を除去する。次に、基板１１を５５０℃まで冷却し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚１００ｎｍのＧａＮバッファ層１２を成長させる。
【００２３】
次に、基板の温度を１１００℃に加熱し、ＴＭＧ、ＳｉＨ４、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚４ｎｍのｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層１３を成長させる。
【００２４】
次に、基板の温度を７５０℃まで冷却し、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア及びキャリアガスを流して、５層ＭＱＷ型活性層１４を成長させる。ここで、活性層１４は、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮウエル層と膜厚６ｎｍのＧａＮバリア層を５層ずつ交互に積層させた構造を有する。また、ここで活性層にドーピングを行っても良い。
【００２５】
次に、基板を９５０℃に加熱し、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｃｐ２Ｍｇ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）クラッド層１５を成長させる。なお、このクラッド層のＭｇ濃度は、例えば５．０×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００２６】
次に、基板の温度を９５０℃に保ったまま、超格子コンタクト層１６を成長させる。具体的には、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚３ｎｍのｌｎＧａＮ層を成長させ、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ及びキャリアガスを流して膜厚３ｎｍのｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）層を成長させる。これらの層を例えば５０層ずつ交互に成長させることにより超格子コンタクト層１６を形成することができる。ここで、ＧａＮ層のＭｇ濃度は、例えば１．０×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００２７】
次に、基板を室温まで冷却して取り出し、図１に示したように積層構造の一部を表面からｎ型コンタクト層１３までエッチングして、ｎ側電極１６３を形成する。また、ｐ型コンタクト層１６の上には透光性を有するｐ側電極１６５を形成する。さらに、素子の表面を保護膜１６１で覆い、電極にボンディングパッド１６４、１６６を接続し、さらに素子の表面を保護膜１６２で覆うことにより、ＬＥＤが完成する。
【００２８】
なお、透光性を有するｐ側電極１６５としては、例えば、金属系のＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）／Ｎｉ積層膜や、酸化物／金属系のＩＴＯ（indium tin oxide）／Ｎｉなどを採用することできる。
【００２９】
このようにして試作したＬＥＤは、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの条件において、順方向電圧Ｖｆ＝３．２ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．３ｍＷであった。
【００３０】
これに対して、本発明者は、比較例として、図１の構成においてコンタクト層１６としてＭｇ濃度が１．０×１０２０ｃｍ−３で厚さが０．３０μｍのｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）層とする以外は前述した本発明の素子と同様の構成を有するＬＥＤを試作してその特性を評価した。
【００３１】
その結果、比較例の素子は、Ｉｆ＝２０ｍＡにおいて、Ｖｆ＝３．７ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．１ｍＷであった。
【００３２】
すなわち、本発明の発光素子は、比較例の発光素子よりも動作電圧を低減し、発光出力も改善することができた。
【００３３】
本発明において、超格子コンタクトを用いることにより動作電圧を低減することができた理由としては、大きく分けて以下の３つが考えられる。
【００３４】
第１の理由として、ｐ側電極とｐ型コンタクト層との間の価電子帯のポテンシャルバリアの低減が考えられる。単純にこれを利用しようとした発明としては、前述したように、ＩｎＧａＮからなる単層をコンタクト層とする方法が特開平９−２８９３５１号に記載されている。しかし、実際にはＩｎＧａＭはＧａＮに比べてｐ型化しづらいために十分な効果は得られていなかった。これに対して、本発明のように高濃度ｐドープのＧａＮ層とノンドープのＩｎＧａＮ層とを交互に成長させることにより、ｐ型化が比較的容易なＧａＮのメリットと、電極との間の価電子帯のポテンシャルバリアが低減するＩｎＧａＮのメリットの両方を生かすことが出来たと考えられる。
【００３５】
第２の理由として、結晶性の向上が考えられる。すなわち、ＩｎＧａＮはＧａＮに比べて結晶が軟らかいため、ＧａＮ層との超格子構造においては緩衝層として作用し、貫通転位やクラックなどの結晶欠陥を減少させて結晶性を向上させる効果があると考えられる。但し、ＩｎＧａＮの結晶自体は劣化しやすく、高濃度のドーピングを行うと結晶が顕著に劣化する。従って、ＩｎＧａＮ層にＭｇをドープすると結晶性が劣化して緩衝層としての効果がなくなってしまう。また、前述した特開平９−２８９３５１号のようにｐ型ドーパントを高濃度にドープするとＩｎＧａＮの結晶性が悪化してしまい、電圧低下効果は発揮できないし、ｐ側電極の形成も困難となる。
【００３６】
これに対して、本発明においてはＧａＮバリア層にＭｇを選択的にドーピングしてＩｎＧａＮ層との超格子構造を形成することにより、ＩｎＧａＮの緩衝層としての効果を十分に発揮させることができたと考えられる。
【００３７】
第３の理由として、有効キャリア濃度とキャリア移動度の上昇が考えられる。すなわち、ＩｎＧａＮにｐ型ドーパントをドーピングしても十分にｐ型化させることは困難である。これに対して、本発明においては、ＧａＮへの変調ドープによりｐ型ドーパントを十分に活性化させ、有効キャリア濃度を十分に高くすることができる。さらに、変調ドープにより不純物散乱を十分に抑えることが可能になり、高い移動度を持つ正孔キャリアを得ることができたと考えられる。
【００３８】
ここで、本発明の超格子コンタクト層においては、ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成が高すぎると結晶が悪化してしまうので、Ｉｎ組成は２０％未満とすることが望ましく１０％未満とすることがさらに望ましい。但し、原理的には、少しでもＩｎが入っていれば、前記した結晶性向上効果が現れると考えられる。
【００３９】
また、超格子コンタクト層の形成に際して、最後に成長させる層をＩｎＧａＮ層とＧａＮ（Ｍｇドープ）層のどちらにしても素子特性に違いは見られなかった。、つまり、ｐ側電極１６５に接触する超格子コンタクト層１６の最上層は、ＩｎＧａＮ層でもＧａＮ層でも良い。これは、超格子構造の場合には、ウエル層とバリア層との平均的なポテンシャルを全体として有するためであると考えられる。
【００４０】
一方、ＧａＮバリア層に対するＭｇのドーピング濃度は、１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３が良い。ドーピング濃度が高すぎると結晶が劣化し、低すぎるとｐ型化が十分でないからである。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。すなわち、同図はＬＥＤの断面構造を例示し、図中２１はＧａＮ基板、２２はＧａＮバッファ層、２３はｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層、２４は５層ＭＱＷ型ＩｎＧａＮ活性層、２５はｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）層、２６はＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ／ＧａＮ（Ｍｇドープ）変調ドープ超格子コンタクト層である。
【００４２】
図２のＬＥＤの構成をその製造方法に沿って概説すると以下の如くである。
【００４３】
まず、水素ガスを流しながらＧａＮ基板２１を１１００℃で１０分間加熱し、基板表面の酸化物を除去する。次に、基板２１を５５０℃まで冷却し、ＴＭＧ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚１００ｎｍのＧａＮバッファ層２２を成長させる。
【００４４】
次に、基板の温度を１１００℃に加熱し、ＴＭＧ、ＳｉＨ４、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚４ｎｍのｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層２３を成長させる。
【００４５】
次に、基板の温度を７５０℃まで冷却し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア及びキャリアガスを流して、５層ＭＱＷ型活性層２４を成長させる。ここで、活性層２４は、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮウエル層と膜厚６ｎｍのＧａＮバリア層を５層ずつ交互に積層させた構造を有する。また、ここで活性層にドーピングを行っても良い。
【００４６】
次に、基板を９５０℃に加熱し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ２Ｍｇ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）クラッド層２５を成長させる。なお、このクラッド層のＭｇ濃度は、例えば５．０×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００４７】
次に、基板の温度を９５０℃に保ったまま、超格子コンタクト層２６を成長させる。具体的には、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚３ｎｍのｌｎＧａＮウエル層を成長させ、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ及びキャリアガスを流して膜厚３ｎｍのｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）層を成長させる。これらの層を例えば５０層ずつ交互に成長させることにより超格子コンタクト層３６を形成することができる。ここで、ＧａＮ層のＭｇ濃度は、例えば１．０×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００４８】
次に、基板を室温まで冷却して取り出し、電極形成工程を実施する。図２に例示した発光素子は、ｐ型コンタクト層２６の上の全面にｐ側電極１７５が形成されている。そして、ＧａＮ基板２１の裏面側には透光性を有するｎ側電極１７３が形成され、ボンディングパッド１７４が接続されている。さらに、素子の裏面は保護膜１７１、１７２により覆われている。
【００４９】
基板としてサファイアを用いた場合には導電性がないが、ＧａＮ基板２１は導電性を有するため、本実施形態のように基板の裏面側に電極を設けることが可能となる。さらに、本実施形態のように、基板の裏面側の電極を透光性の電極として、裏面側から光を取り出すこともできる。
【００５０】
このようにして試作したＬＥＤは、Ｉｆ＝２０ｍＡでＶｆ＝２．９ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．５ｍＷであった。
【００５１】
比較例として、図２の構成においてコンタクト層をＭｇ濃度１．０×１０２０ｃｍ−３で厚さが０．３０μｍのｐ型ＧａＮ層とした素子を試作して評価した。この比較例の素子の特性は、Ｉｆ＝２０ｍＡでＶｆ＝３．７ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．３ｍＷであった。
【００５２】
本実施形態おいては、順方向電圧Ｖｆが２．９ボルトと顕著に低減した。特に、順方向電圧が３ボルトを下回ることにより、汎用の電池を電源とした動作が可能となり、各種の携帯機器に搭載が容易となる点でこの電圧低減効果は、劇的である。
【００５３】
本実施形態において電圧低減効果が特に顕著に現れた理由としては、主に以下の２つが考えられる。
【００５４】
第１の理由として、ｐ側電極１７５を全面電極としたことが挙げられる。すなわち、窒化物半導体素子の場合には、ｎ側と比較して、特にｐ側のコンタクト抵抗を下げることが難しい。これに対して、本実施形態においては、ｐ型コンタクト層２６とｐ側電極１７５とを全面で接触させることができる。しかも、ｐ側からは光を取り出さない構造であるので、接触抵抗が低くなるような電極材料を十分に厚く形成することができる。前述したように、サファイア基板ではこのような構造をとることは困難である。
【００５５】
第２の理由として、結晶性の向上に伴うｐ型キャリアの移動度の向上や活性化率の向上を挙げることができる。すなわち、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた場合と比べてＧａＮ基板の上に窒化物半導体層を成長させた場合のほうが貫通転位などの結晶欠陥が少ない。その結果として、エピタキシャル層の結晶性が改善され、キャリアの移動度や活性化率が上昇して素子抵抗が低下したことが考えられる。
【００５６】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。すなわち、同図はＬＥＤの断面構造を例示し、図中３１はＳｉＣ基板、３２はＡｌＮバッファ層、３３はｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層、３４はｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｓｉドープ）層、３５はＧａＮ（Ｓｉ、Ｚｎドープ）活性層、３６はｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（Ｍｇドープ）層、３７はＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／ＧａＮ（Ｍｇドープ）変調ドープ超格子コンタクト層である。
【００５７】
図３のＬＥＤの構成をその製造方法に沿って概説すると以下の如くである。
【００５８】
まず、水素ガスを流しながらＳｉＣ基板３１を１１００℃で１０分間加熱し、基板表面の酸化物を除去する。次に、基板３１を６００℃まで冷却し、ＴＭＡ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚３０ｎｍのＡｌＮバッファ層３２を成長させる。
【００５９】
次に、基板の温度を１１００℃に加熱し、ＴＭＧ、ＳｉＨ４、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚４ｎｍのｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層３３を成長させる。
【００６０】
次に、基板の温度を１１００℃に保ったまま、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア及びキャリアガスを流して、膜厚３０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｓｉドープ）層３４を成長させる。
【００６１】
次に、基板の温度を１１００℃に保ったまま、ＴＭＧ、アンモニア、Ｚｎ（ＣＨ３）２、ＳｉＨ４及びキャリアガスを流して、膜厚４０ｎｍのＧａＮ（Ｓｉ、Ｚｎドープ）活性層３５を成長させる。
【００６２】
次に、基板を１１００℃に保ったまま、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ２Ｍｇ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚６０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（Ｍｇドープ）クラッド層３６を成長させる。なお、このクラッド層のＭｇ濃度は、例えば５．０×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００６３】
次に、基板の温度を９００℃に冷却し、超格子コンタクト層３６を成長させる。具体的には、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚３ｎｍのｌｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層を成長させ、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ及びキャリアガスを流して膜厚３ｎｍのｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）層を成長させる。これらの層を例えば５０層ずつ交互に成長させることにより超格子コンタクト層５７を形成することができる。ここで、ＧａＮ層のＭｇ濃度は、例えば２．０×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００６４】
次に、基板を室温まで冷却して取り出し、電極形成工程を実施する。図３に例示した発光素子は、基板３１の裏面全面にｎ側電極８３が設けられ、ｐ型コンタクト層３７の上に透光性を有するｐ側電極１８５が形成されている。さらに、ｐ側電極１８５にはボンディングパッド１８６が接続されて、素子の表面は、保護膜１８１、１８２により覆われている。ｐ側電極１８５としては、金属系のＮｉ／Ａｕ／Ｎｉ、酸化物／金属系のＩＴＯ／Ｎｉなどを用いることができる。
【００６５】
このようして試作したＬＥＤ素子は、Ｉｆ＝２０ｍＡでＶｆ＝３．３ボルト、発光ピーク波長４３０ｎｍの青紫色発光を示し、発光出力は１．５ｍＷであった。
【００６６】
比較例として、図３の構成において、コンタクト層をＭｇ濃度が２．０×１０２０ｃｍ−３のｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）層とした素子を試作した。この比較例の素子の特性は、Ｉｆ＝２０ｍＡでＶｆ＝４．０ボルト、発光ピーク波長４３０ｎｍの青紫色発光を示し、発光出力は１．５ｍＷであった。
【００６７】
図３に例示したように、活性層にＩｎを含ませず、クラッド層のＡｌ組成を高くしたような素子の場合には、比較例の評価結果からも分かるように、動作電圧が高くなりやすい。しかし、このような構造の素子においても、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ（Ｍｇドープ）変調ドープ超格子コンタクト層を用いることによって動作電圧を大幅に下げることができた。
【００６８】
一方、ＳｉＣ基板の場合にはサファイア基板の場合と比べて貫通転位の減少はそれほど認められない。つまり、エピタキシャル成長層は、一定の結晶欠陥を有するのであるが、本実施形態においては、素子ごとの動作電圧のバラツキは少なかった。これは、第１実施形態に関して前述した第２の理由によるものと推測される。つまり、超格子コンタクト層を用いると、ＩｎＧａＮ層が軟らかいために結晶歪みを緩和してコンタクト層の結晶性が改善され、接触抵抗が低下して動作電圧のバラツキも少なくなることが考えられる。
【００６９】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。すなわち、同図はＬＥＤの断面構造を例示し、図中４１はサファイア基板、４２はＧａＮバッファ層、４３はｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層、４４は５層ＭＱＷ型ＩｎＧａＮ活性層、４５はｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）層、４６はＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ／ＧａＮ（Ｚｎドープ）変調ドープ超格子コンタクト層である。
【００７０】
図４のＬＥＤの構成及びその製造方法は、第１実施形態に関して前述したものと同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。但し、本実施形態においては、超格子コンタクト層４６のＧａＮ層に対して、Ｍｇ（マグネシウム）の代わりにＺｎ（亜鉛）をドープする。すなわち、ＧａＮ層の成長に際して、ドーパントガスとして例えばＺｎ（ＣＨ３）２を供給することによりＺｎをドープすることができる。また、ＧａＮ層におけるＺｎの濃度は例えば、１．０×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００７１】
本実施形態のＬＥＤは、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの条件において、順方向電圧Ｖｆ＝３．４ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．０ｍＷであった。
【００７２】
これに対して、比較例として、図１の構成においてコンタクト層４６としてＺｎ濃度が１．０×１０２０ｃｍ−３で厚さが０．３０μｍのｐ型ＧａＮ（Ｚｎドープ）層とする以外は前述した本発明の素子と同様の構成を有するＬＥＤを試作してその特性を評価した。この比較例の素子の特性は、Ｉｆ＝２０ｍＡでＶｆ＝４．０ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は２．８ｍＷであった。
【００７３】
本実施形態においても、Ｚｎを変調ドープした超格子コンタクト層を採用することにより、素子の動作電圧を効果的に低減することができた。
【００７４】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。すなわち、同図はＬＥＤの断面構造を例示し、図中５１はサファイア基板、５２はＧａＮバッファ層、５３はｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層、５４はｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｓｉドープ）層、５５はＧａＮ（Ｓｉ、Ｚｎドープ）活性層、５６はｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（Ｍｇドープ）層、５７はＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ／ＧａＮ（Ｃドープ）変調ドープ超格子コンタクト層である。
【００７５】
図５のＬＥＤの構成及びその製造方法は、第１実施形態あるいは第３実施形態に関して前述したものと同様とすることができる。すなわち、ｎ型ＧａＮ層５３までの成長手順は、第１実施形態に関して前述したものと概略同様であり、これ以降は、第３実施形態に関して前述したものと概略同様とすることができる。従って、これらの詳細な説明は省略する。
【００７６】
但し、本実施形態においては、超格子コンタクト層５７のＧａＮ層に対して、Ｃ（炭素）をドープする。この際の成長温度は、例えば９００℃とし、ドーピングガスとしては、例えばＣＢｒ４を用いることができる。また、Ｃ（炭素）をドープする方法としては、Ｖ族原料ガスとIII族原料ガスの流量比を調節することによって、「オートドーピング」現象を利用または併用としても良い。また、超格子コンタクト層を構成するＧａＮ層のＣ濃度は、例えば２．０×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００７７】
本実施形態のＬＥＤは、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの条件において、順方向電圧Ｖｆ＝３．４ボルト、発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は１．４ｍＷであった。
【００７８】
これに対して、比較例として、図１の構成においてコンタクト層４６としてＣ濃度が２．０×１０２０ｃｍ−３で厚さが０．３０μｍのｐ型ＧａＮ（Ｃドープ）層とする以外は前述した本発明の素子と同様の構成を有するＬＥＤを試作してその特性を評価した。この比較例の素子の特性は、Ｉｆ＝２０ｍＡでＶｆ＝４．０ボルト、発光ピーク波長４３０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は１．４ｍＷであった。
【００７９】
以上説明したように、Ｃ（炭素）を変調ドープした超格子コンタクト層を採用することによっても、発光素子の動作電圧を効果的に低減することができた。
【００８０】
（第６の実施の形態）
図６は、本発明の第６の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。すなわち、同図はＬＥＤの断面構造を例示し、図中６１はサファイア基板、６２はＧａＮバッファ層、６３はｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層、６４は５層ＭＱＷ型ＩｎＧａＮ活性層、６５はｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）層、６６はＧａＮ／Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ（Ｍｇドープ）変調ドープ超格子コンタクト層である。
【００８１】
図６のＬＥＤの構成をその製造方法に沿って概説すると以下の如くである。
【００８２】
まず、水素ガスを流しながらサファイア基板６１を１１００℃で１０分間加熱し、基板表面の酸化物を除去する。次に、基板６１を５５０℃まで冷却し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚１００ｎｍのＧａＮバッファ層６２を成長させる。
【００８３】
次に、基板の温度を１１００℃に加熱し、ＴＭＧ、ＳｉＨ４、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚４ｎｍのｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ）層６３を成長させる。
【００８４】
次に、基板の温度を７００℃まで冷却し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア及びキャリアガスを流して、５層ＭＱＷ型活性層６４を成長させる。ここで、活性層１４は、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮウエル層と膜厚６ｎｍのＧａＮバリア層を５層ずつ交互に積層させた構造を有する。また、ここで活性層にドーピングを行っても良い。
【００８５】
次に、基板を１０００℃に加熱し、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ２Ｍｇ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ（Ｍｇドープ）クラッド層６５を成長させる。なお、このクラッド層のＭｇ濃度は、例えば５．０×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００８６】
次に、基板の温度を１０００℃に保ったまま、超格子コンタクト層６６を成長させる。具体的には、ＴＭＧ、アンモニア及びキャリアガスを流して膜厚２ｎｍのＧａＮ層を成長させ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ及びキャリアガスを流して膜厚２ｎｍのｐ型Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ（Ｍｇドープ）層を成長させる。これらの層を例えば５０層ずつ交互に成長させることにより超格子コンタクト層６６を形成することができる。ここで、ＧａＮ層のＭｇ濃度は、例えば１．０×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００８７】
次に、基板を室温まで冷却して取り出し、図６に示したように積層構造の一部を表面からｎ型層６３までエッチングして、ｎ側電極１６３を形成する。また、ｐ型コンタクト層６６の上には透光性を有するｐ側電極１６５を形成する。さらに、素子の表面を保護膜１６１で覆い、電極にボンディングパッド１６４、１６６を接続し、さらに素子の表面を保護膜１６２で覆うことにより、ＬＥＤが完成する。
【００８８】
ｐ側電極１６５としてＮｉ／Ａｕ／Ｎｉの金属系電極を用いた場合には、このＬＥＤは、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの条件において、順方向電圧Ｖｆ＝３．５ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．２ｍＷであった。
【００８９】
一方、ｐ側電極１６５としてＩＴＯ／Ｎｉの酸化物系電極を用いた場合には、このＬＥＤは、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの条件において、順方向電圧Ｖｆ＝３．３ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．２ｍＷであった。さらに、このような酸化物系電極を用いた場合でも、素子ごとの特性のバラツキはみられなかった。
【００９０】
これに対して、本発明者は、比較例として、図１の構成においてコンタクト層１６としてＭｇ濃度が１．０×１０２０ｃｍ−３で厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）層としたＬＥＤを試作してその特性を評価した。その結果、比較例の素子の特性は、ｐ側電極の種類にはあまり依存せず、Ｉｆ＝２０ｍＡにおいて、Ｖｆ＝３．７ボルト、発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光を示し、発光出力は３．１ｍＷであった。
【００９１】
すなわち、本発明によれば、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との変調ドープ超格子をコンタクト層に用いても、比較例の発光素子よりも動作電圧を低減することができる。この理由としては、以下の２つが挙げられる。
【００９２】
第１の理由として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ（Ｍｇ）超格子コンタクト層の場合と同様に結晶性の向上が考えられる。すなわち、ＧａＮはＡｌＧａＮに比べて結晶が軟らかいため、ＡｌＧａＮ層との超格子においては緩衝層として作用して貫通転位やクラックなどの結晶欠陥を減少させ、結晶性を向上させる効果があると考えられる。しかし、ＧａＮにＭｇをドープすると、結晶性が劣化して緩衝層としての効果が少なくなってしまう。
【００９３】
これに対して、本発明においては、ＡｌＧａＮ層のみに選択的にドーパントをドープすることによって、ＧａＮ層の緩衝層としての効果を発揮させ、結晶性が向上したと考えられる。このように、窒化物半導体の場合には、硬度の高い結晶層と硬度の低い結晶層との変調ドープ超格子において、硬度の高い結晶層にドーピングを行うことにより結晶性を向上させることができると考えられる。
【００９４】
すなわち、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ（Ｍｇドープ）の変調ドープ超格子やＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（Ｍｇドープ）（ｘ＞ｙ）の変調ドープ超格子においても同様に本発明の効果が得られる。
【００９５】
第２の理由として、変調ドープにより不純物散乱を極度に抑えることが可能になり、高い移動度を持つ正孔を得ることができたことが考えられる。
【００９６】
本実施形態の超格子コンタクト層においては、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を２０％未満とすることが望ましく、５％未満とすることがさらに望ましい。ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が高すぎると動作電圧が高くなったり結晶が悪化するからである。また、Ａｌ組成の下限については、少しでもＡｌが入っていれば効果はあるが、Ａｌ組成が少ないと障壁層としての効果が少なくなってしまうので、０．５％以上であることが望ましい。
【００９７】
本実施形態においては、ＩＴＯ／Ｎｉ電極の場合に特に効果が表れる点も特徴的である。この理由は、必ずしも明らかではないが、Ｎｉの厚さが１００ｎｍ程度と非常に薄く、ＡｌＧａＮバリア層を有する超格子コンタクト層とＩＴＯとの間でトンネル電流が発生しやすくなるためであると推測される。
【００９８】
なお、本実施形態においても、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ変調ドープ超格子コンタクト層の成長に際して最後に成長させる層をＧａＮ層にしてもＡｌＧａＮ層にしても、素子の特性に有意な違いは見られなかった。つまり、ｐ側電極１６５と接触する層がＧａＮ層であっても、ＡｌＧａＮ層であっても良いことが分かった。この理由は、超格子構造は、２つの異なる層の中間的特性を示すからであると考えられる。
【００９９】
また、本発明者は、超格子コンタクト層６７において、ＡｌＧａＮ層の代わりにＧａＮ層にＭｇを選択ドープした素子も試作した。しかし、この素子においては、ＡｌＧａＮ層に選択ドープした素子ほどの動作電圧の低下はみられなかった。ドーパントの活性化率やバンドエネルギを考えた場合には、ＧａＮ層にドープしたほうが有利であるとも考えられる。しかし、実際に試作した結果によれば、ＡｌＧａＮ層に選択ドーピングした方が良好な特性が得られたところから、これらの要因よりも、前述したような結晶性の維持、改善の効果の方が影響が大きいことが分かった。
【０１００】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【０１０１】
例えば、本発明は、ＬＥＤだけでなく、ＬＤにも同様に適用して同様の効果を得ることができる。さらに、これらのＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子の具体的な構造についても、当業者が実施しうるあらゆる構造の半導体発光素子に対して本発明は同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
一方、本発明においては、超格子コンタクト層において、硬度の高い層に選択ドープするが、ドーパントは半導体層内を拡散するので、ある程度は、硬度の低い層にも侵入する。特に、Ｍｇは拡散が顕著であるので、硬度の低い層にも多少は侵入する傾向がある。しかし、このようにして得られた発光素子においても本本発明の効果は十分に得られる。
【０１０３】
一方、超格子コンタクト層にドープするｐ型不純物としては、前述したＭｇ、Ｚｎ、Ｃの他にもＢｅ、Ｃｄ、Ｈｇなど各種の元素を用いることが可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化物半導体からなる半導体発光素子の動作電圧を低下させ、発光特性を改善することが可能となる。
【０１０５】
すなわち、ｐ側電極とのコンタクト抵抗を低下させることにより、コンタクト部での発熱を抑制し、素子の温度特性を改善するとともに寿命も改善することができる。
【０１０６】
特に、ＬＤの場合には、注入する電流量が多いため、電極とのコンタクト部における発熱が問題となる。本発明によれば、ｐ側電極との接触抵抗を低下させ、素子の動作電圧を下げるとともに、コンタクト部での発熱も抑制し、発光素子の温度特性を改善すると共に、素子寿命などの信頼性も大幅に改善することが可能となる。
【０１０７】
また、半導体発光素子の動作電圧を低下させることにより、汎用の電池などを電源として半導体発光素子を容易に駆動することができるようになる。例えば、本発明によれば、発光素子の動作電圧を３ボルト以下とすることも可能である。その結果として、電池を電源とした各種の携帯機器などに窒化物半導体からなる半導体発光素子を搭載することができるようになる。
【０１０８】
すなわち、フルカラー表示やマルチカラー表示機能を有する各種の携帯機器を実現することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係わる窒化物半導体発光素子を表す概略断面図である。
【図７】従来のコンタクト層を備えたＬＥＤを例示した概略断面図である。
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、５１、６１、１１１  基板
１２、２２、３２、４２、５２、６２、１１２  バッファ層
１３、２３、３３、４３、５３、６３、１１３  ｎ型ＧａＮ層
３４、５４、６４  ｎ型クラッド層
１４、２４、３５、４４、５５、６５、１１４  活性層
１５、２５、３６、４５、５６、６６、１１５  ｐ型クラッド層
１６、２６、３７、４６、５７、６７  変調ドープ超格子コンタクト層
１１６  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１４１、１４２、１６１、１６２、１７１、１７２、１８１、１８２  保護膜
１４３、１６３、１７３、１８３  ｎ側電極
１４５、１６５、１７５、１８５  ｐ側電極
１４４、１４６、１６４、１６６、１７４、１８６  ボンディングパッド
【図１】
0003609661.tif 000002
【図２】
0003609661.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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