(57)【要約】【課題】  基板上に、III族窒化物半導体を用いた発光素子において、井戸層で発生した光を、ｐ型コンタクト層で吸収されることなく放出させるようし、発光効率を向上する。【解決手段】  ｎ型コンタクト層１３をＧａＮで形成し、発光層１４の井戸層１４ａをバンドギャップエネルギーＷ１２＝２．７７ｅＶのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎで形成し、発光層１４の障壁層１４ｂをバンドギャップエネルギーＷ１３＝３．４２ｅＶのＧａＮで形成し、ｐ型コンタクト層１５をバンドギャップエネルギーＷ１１＝３．１０ｅＶのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎで形成する。したがって、Ｗ１１＜Ｗ１３として、不純物の活性化エネルギーを小さくし、ｐ型コンタクト層１５の導電率やコンタクト抵抗を改善し、発光素子１０の特性を向上できる。一方、Ｗ１１をむやみに小さくするのではなく、Ｗ１１＞Ｗ１２とし、井戸層１４ａで発生した光は、ｐ型コンタクト層１５で吸収されることなく放出される。【選択図】      図２
2006040964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層と、量子井戸を形成した発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを順次積層して成る半導体発光素子において、
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記発光層の井戸層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有し、かつ前記発光層の障壁層のバンドギャップエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層はＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から成り、前記障壁層はＧａＮから成り、前記ｐ型窒化物半導体層はＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）から成り、かつ０＜ｙ＜ｘである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】
前記井戸層はＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から成り、前記障壁層はＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）から成り、前記ｐ型窒化物半導体層はＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）から成り、かつ０＜ｚ＜ｘである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４】
前記井戸層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）から成り、前記障壁層はＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ＜ｙ＜１）から成り、前記ｐ型窒化物半導体層はＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）から成り、かつ０＜ｘ＜ｚ＜ｙである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５】
前記ｐ型窒化物半導体層は、ｐ型の不純物を、ＭｇもしくはＺｎとすることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、特にIII族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、前記III族窒化物半導体発光素子１００の一般的な積層構造を示す断面図である。この半導体発光素子は、サファイア基板１０１を支持基板として、その上に前記サファイア基板１０１と以下に示す半導体層との格子定数の不整合を吸収するバッファ層１０２を介して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０３が積層され、さらに発光接合層（活性層）を有する発光層１０４、ｐ型窒化物半導体層であるｐ型コンタクト層１０５が順次積層された層構造を有している。
【０００３】
また、前記ｎ型コンタクト層１０５上において該ｐ型コンタクト層１０５および発光層１０４の一部をエッチングによって前記ｎ型コンタクト層１０３が露出するまで除去することで、前記ｎ型コンタクト層１０３が露出した領域が、前記発光層１０４の積層領域に隣接して形成されている。前記ｎ型コンタクト層１０３の露出領域には、ｎ型パッド電極１０８が形成されており、一方、前記ｐ型コンタクト層１０５においてもｐ型透明電極１０６およびｐ型パッド電極１０７が形成されている。
【０００４】
そして、前記発光層１０４に順方向バイアスを印加（前記ｐ型コンタクト層１０５の電極にプラス電圧を印加）することによって、前記ｐ型コンタクト層１０５にそれぞれ設けた電極１０７から前記ｎ型コンタクト層１０３の露出部に設けた電極１０８に向かって電流が流れ、前記発光層１０４中の発光接合層にてホールと電子とが結合し、発光する。
【０００５】
ここで、紫外から青色発光の発光素子については、材料としては、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮなどのIII族窒化物半導体が一般的に用いられている。
【０００６】
ところで、上述のようなIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子においては、他の半導体発光素子に比べて、バンドギャップが大きいので、ｐ型コンタクト層１０５におけるｐ型の不純物、たとえばＭｇなどの活性化エネルギーが大きく、その為ホール濃度が充分大きく取れないという問題があった。
【０００７】
図８にｎ型コンタクト層１０３／発光層１０４（井戸層１０４ａおよび障壁層１０４ｂ／ｐ型コンタクト層１０５を順次積層した場合のエネルギーバンド図を示す。これらのコンタクト層１０３，１０５を構成するＧａＮのバンドギャップＷ０１，Ｗ０２は３．４ｅＶで、非特許文献１によると、室温ではＭｇのアクセプター順位（Ｍｇ活性化エネルギー）は価電子帯の上端から測って０．１７ｅＶであり、ｎ型ドナーであるＳｉの伝導帯の下端から測った１７ｍｅＶと比べて、一桁も大きい。従って、ＭｇはＳｉに比べてはるかに活性化しにくく、通常、ホール濃度は約５×１０17ｃｍ-3程度に留まっており、ｐ型コンタクト層１０５の導電率やｐ型層１０５との電極１０６のコンタクト抵抗も高くなり、デバイスの性能を阻害する大きな原因となっていた。
【０００８】
そこで、前記ｐ型コンタクト層１０５にＩｎを添加することで、該ｐ型コンタクト層１０５のバンドギャップエネルギーを小さくし、ｐ型不純物活性化エネルギーを小さくすることが特許文献１に示されている。これによると、バンドギャップエネルギーＥｇが、Ｅｇ（ＧａＮ）＞Ｅｇ（ｐＩｎＧａＮ）＞Ｅｇ（ｎＧａＮ，ＩｎＧａＮ）を利用して、従来のｐＧａＮの代わりにＩｎＧａＮを用いることで、バンドギャップエネルギーを小さくし、Ｍｇの活性化エネルギーを小さくしてホール濃度を上げている。
【非特許文献１】Ｋｕｍａｋｕｒａ，Ｍａｋｉｍｏｔｏ，ａｎｄ  Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９３，３３７０（２００３）
【特許文献１】特開２００１−１１９０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の特許文献１は、単に窒化物半導体であるだけで、発光素子とする場合の工夫が施されていないので、確かに、Ｍｇの活性化エネルギーが小さくなって、単位電流当りに得られる光結合を多くすることができるけれども、井戸層１０４ａで発生しされた光は、ｐ型コンタクト層１０５で吸収されて、上手く外部へ取出すことができず、発光効率が充分とは言えないという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、井戸層で発生した光を、ｐ型窒化物半導体層で吸収されることなく放出させることができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層と、量子井戸を形成した発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを順次積層して成る半導体発光素子において、前記ｐ型窒化物半導体層は、前記発光層の井戸層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有し、かつ前記発光層の障壁層のバンドギャップエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、III族窒化物半導体を用いた発光素子において、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層と、量子井戸を形成した発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを順次積層し、光の取出し側となるｐ型窒化物半導体層を、発光層となる量子井戸の井戸層のバンドギャップエネルギーより大きく、かつ障壁層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを持つように形成する。
【００１３】
ここで、ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが小さくなるとｐ型不純物活性化エネルギーが小さくなることは、先に示した非特許文献１に示されている。これによると、バンドギャップエネルギーが３．４ｅＶの時はｐ型不純物Ｍｇの活性化エネルギーは０．１７ｅＶ、バンドギャップエネルギーが３．２５ｅＶの時はｐ型不純物Ｍｇの活性化エネルギーは０．１３ｅＶ、またバンドギャップエネルギーが２．９５ｅＶの時のｐ型不純物Ｍｇの活性化エネルギーは０．１０ｅＶとなる。
【００１４】
したがって、ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーを従来の障壁層のそれよりも小さくするので、不純物の活性化エネルギーを従来よりも小さくすることができ、ｐ型窒化物半導体層の導電率やコンタクト抵抗を改善し、発光素子の特性を向上させることができる。一方、前記ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーをむやみに小さくするのではなく、このｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが井戸層のそれより大きいために、井戸層で発生した光は、該ｐ型窒化物半導体層で吸収されることなく放出させることができる。
【００１５】
また、本発明の半導体発光素子では、前記井戸層はＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から成り、前記障壁層はＧａＮから成り、前記ｐ型窒化物半導体層はＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）から成り、かつ０＜ｙ＜ｘであることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、特に、近紫外から青色発光に用いられる発光素子において、従来、発光層としてＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮの量子井戸構造、ｐ型窒化物半導体層としてｐ型ＧａＮを用いていたものを、ｐ型窒化物半導体層として、井戸層に用いられる前記ＩｎxＧａ1-xＮ層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎyＧａ1-yＮ層（０＜ｙ＜１、０＜ｙ＜ｘ）を用いることで、従来のｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、発光素子の特性向上を具体的に実現することができる。また、ｙ＜ｘとすることで、量子井戸で発生した光を、ｐ型窒化物半導体層で吸収されることなく放出させることができる。
【００１７】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記井戸層はＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から成り、前記障壁層はＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）から成り、前記ｐ型窒化物半導体層はＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）から成り、かつ０＜ｚ＜ｘであることを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、近紫外から青色発光に用いられる発光素子において、従来、発光層としてＩｎxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮの量子井戸構造、ｐ型窒化物半導体層としてｐ型ＧａＮを用いていたものを、ｐ型窒化物半導体層として、井戸層に用いられる前記ＩｎxＧａ1-xＮ層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎzＧａ1-zＮ層（０＜ｚ＜１、０＜ｚ＜ｘ）を用いることで、従来のｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、発光素子の特性向上を具体的に実現することができる。また、ｚ＜ｘとすることで、量子井戸で発生した光を、ｐ型窒化物半導体層で吸収されることなく放出させることができる。
【００１９】
また、本発明の半導体発光素子では、前記井戸層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）から成り、前記障壁層はＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ＜ｙ＜１）から成り、前記ｐ型窒化物半導体層はＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）から成り、かつ０＜ｘ＜ｚ＜ｙであることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、紫外発光に用いられる発光素子において、従来、発光層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造、ｐ型窒化物半導体層としてｐ型ＡｌＧａＮを用いていたものを、ｐ型窒化物半導体層として、井戸層に用いられる前記ＧａＮ層よりバンドギャップエネルギーのわずかに大きいＡｌＧａＮ層を用いることで、従来のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもｐ型不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、発光素子の特性向上を具体的に実現することができる。また、ｚ＜ｙとして、障壁層に用いられているＡｌＧａＮ層よりバンドギャップエネルギーより小さなｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることで、量子井戸で発生した光を、該ｐ型窒化物半導体層で吸収されることなく放出させることができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記ｐ型窒化物半導体層は、ｐ型の不純物を、ＭｇもしくはＺｎとすることを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、上記のｐ型窒化物半導体層に用いるｐ型不純物としては、III族窒化物半導体で用いることができ、活性化エネルギーの小さな元素を用いることが有効であり、上記ＭｇやＺｎは好適である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体発光素子によれば、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層と、量子井戸を形成した発光層と、ｐ型窒化物半導体層とを順次積層して成る半導体発光素子において、光の取出し側となるｐ型窒化物半導体層を、発光層となる量子井戸の井戸層のバンドギャップエネルギーより大きく、かつ障壁層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを持つように形成する。
【００２４】
それゆえ、ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーを従来の障壁層のそれよりも小さくするので、不純物の活性化エネルギーを従来よりも小さくすることができ、ｐ型窒化物半導体層の導電率やコンタクト抵抗を改善し、発光素子の特性を向上させることができる。一方、前記ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーをむやみに小さくするのではなく、このｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが井戸層のそれより大きいために、井戸層で発生した光は、該ｐ型窒化物半導体層で吸収されることなく放出させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子１０の積層構造を示す断面図である。この発光素子１０は、前述の図７で示す発光素子１００の積層構造と類似している。しかしながら、各層の組成が図７の例とは異なる。この発光素子１０では、３５０μｍのサファイア基板１１の上に、ＭＯＣＶＤを用いてバッファ層１２、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１３（ＧａＮ）、発光層１４（Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ／ＧａＮ）を順に積層し、その上にｐ型窒化物半導体層であるｐ型コンタクト層１５（Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ）を形成し、Ｎｉ／Ａｕ：Ｏ層から成る透明電極１６を介して、ｐ型パッド電極１７が形成されている。またｎ型コンタクト層１３には、ｎ型パッド電極１８が形成されている。
【００２６】
図２は、上述のように構成された発光素子１０のエネルギーバンド図である。この図２において図１に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。前記ｎ型コンタクト層１３（ＧａＮ）のバンドギャップエネルギーは３．４２ｅＶである。また、前記発光層１４は、井戸層（量子井戸）１４ａと障壁層１４ｂとを交互に複数（この図２ではそれぞれ２層）積層して成り、井戸層１４ａのバンドギャップエネルギーＷ１２は、前記Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎから２．７７ｅＶであり、障壁層１４ｂのバンドギャップエネルギーＷ１３は、前記ＧａＮから３．４２ｅＶである。ここで、Ｍｇをドープしたｐ型コンタクト層１５は、その組成は、前記井戸層１４ａよりもＩｎが少ない前記Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎであり、そのバンドギャップエネルギーＷ１１は３．１０ｅＶである。
【００２７】
したがって、このエネルギーバンド図において、井戸層１４ａのバンドギャップエネルギーＷ１２（２．７７ｅＶ）＜ｐ型コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＷ１１（３．１０ｅＶ）＜障壁層１４ｂのバンドギャップエネルギーＷ１３（３．４２ｅＶ）となり、ｐ型コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＷ１１を従来の障壁層のそれよりも小さくするので、不純物の活性化エネルギーを従来よりも小さくすることができ、該ｐ型コンタクト層１５の導電率やコンタクト抵抗を改善し、発光素子１０の特性を向上させることができる。一方、前記ｐ型コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＷ１１をむやみに小さくするのではなく、このｐ型コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＷ１１が井戸層１４ａのバンドギャップエネルギーＷ１２より大きいために、井戸層１４ａで発生した光は、該ｐ型コンタクト層１５で吸収されることなく放出させることができる。
【００２８】
上述の説明では、井戸層１４ａの組成をＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）で表し、ｐ型コンタクト層１５の組成をＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）で表すとき、ｘ＝０．２５、ｙ＝０．１２であったけれども、これに限らず、０＜ｙ＜ｘとすればよい。すなわち、ＩｎＧａＮのＩｎが多い程、バンドギャップエネルギーが小さくなるので、ｐ型コンタクト層１５のＩｎの含有率を、井戸層１４ａのＩｎの含有率よりも小さくすればよい。
【００２９】
これによって、特に、近紫外から青色発光に用いられる発光素子において、従来、発光層１４としてＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮの量子井戸構造、ｐ型コンタクト層１５としてｐ型ＧａＮを用いていたものを、ｐ型コンタクト層１５として、井戸層１４ａに用いられる前記ＩｎxＧａ1-xＮ層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎyＧａ1-yＮ層（０＜ｙ＜１、０＜ｙ＜ｘ）を用いることで、従来のｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、発光素子の特性向上を具体的に実現することができる。また、ｙ＜ｘとすることで、ｐ型コンタクト層１５のバンドギャップエネルギーＷ１１を井戸層１４ａのバンドギャップエネルギーＷ１２より必ず大きくすることができ、井戸層１４ａで発生した光を、ｐ型コンタクト層１５で吸収されることなく放出させることができる。
【００３０】
以下に、上述のように構成される発光素子１０の具体的な製造方法を詳述する。先ず、３５０μｍのサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応管に設置し、１０５０℃の水素雰囲気中で前記サファイア基板１１をクリーニングした後に、５１０℃で水素をキャリアガスとして、窒素を含むガスとしてアンモニア（ＮＨ3）を、ガリウムを含むガスとしてトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）、以下、ＴＭＧという）を前記反応管に供給し、ガリウム窒素低温バッファ層１２を２５ｎｍ形成する。
【００３１】
その後、前記反応管の温度を１０５０℃に昇温し、水素をキャリアガスとして、前記ＮＨ3およびＴＭＧとともに、シラン（ＳｉＨ4）を前記反応管に供給し、Ｓｉをドープしたｎ型コンタクト層１３（ＧａＮ）を４ｎｍ形成する。
【００３２】
そして、この上に発光層１４（Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ／ＧａＮ）を積層するが、反応管を一旦８００℃に降温し、窒素をキャリアガスとして、ＮＨ3、ＴＭＧおよびトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3）、以下、ＴＭＩという）を前記反応管に供給し、前記井戸層１４ａを３ｎｍ成長させた後、有機金属ガスの供給を停止し、温度を１０２０℃に昇温し、その後反応管にＮＨ3およびＴＭＧを水素をキャリアガスとして供給し、前記障壁層１４ｂを３ｎｍ成長させる。これを複数回、本実施形態では２回繰返すことで、発光層１４が形成される。
【００３３】
さらに温度を８００℃に降温し、窒素をキャリアガスとして、ＮＨ3、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5Ｈ5）2、以下、Ｃｐ2Ｍｇという）を前記反応管に供給し、２００ｎｍ成長させてＭｇドープのｐ型コンタクト層１５（Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ）を形成し、エピウエハを作成した後、ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取出して、蒸着によってＮｉ，Ａｕを積層し、酸素雰囲気中で電気炉内でアニールを行い、Ｎｉ／Ａｕ：Ｏ層から成る透明電極１６を形成する。その後、Ａｕの蒸着と通常のフォトリソグラフィおよびエッチングを経て、ｐ型パッド電極１７を形成する。また、ｎ型コンタクト層１３には、ｎ型パッド電極１８を、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕを順次蒸着することによって形成する。
【００３４】
以上のようにして、前記発光素子１０を具体的に作製することができる。
【００３５】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の第２の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子２０の積層構造を示す断面図である。この発光素子２０も、前述の図１で示す発光素子１０の積層構造と類似している。しかしながら、各層の組成、特に後述の発光層２４の障壁層２４ｂの組成が図１の例とは異なる。以下に、その具体的な製造方法を詳述する。
【００３６】
この発光素子２０では、３５０μｍのサファイア基板２１をＭＯＣＶＤ装置の反応管に設置し、１０５０℃の水素雰囲気中で前記サファイア基板２１をクリーニングした後に、５１０℃で水素をキャリアガスとして、ＮＨ3およびＴＭＧを前記反応管に供給し、ガリウム窒素低温バッファ層２２を２５ｎｍ形成する。その後、前記反応管の温度を１０５０℃に昇温し、水素をキャリアガスとして、前記ＮＨ3、ＴＭＧおよびＳｉＨ4を前記反応管に供給し、Ｓｉをドープしたｎ型コンタクト層２３（ＧａＮ）を４ｎｍ形成する。以上の工程は、前述の発光素子１０と同様である。
【００３７】
そして、この上に発光層２４（Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ／Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ）を積層する。それには、反応管を一旦８００℃に降温し、窒素をキャリアガスとして、ＮＨ3、ＴＭＧおよびＴＭＩを前記反応管に供給し、後述する井戸層２４ａを３ｎｍ成長させた後、有機金属ガスの供給を停止し、温度を１１００℃に昇温し、その後反応管に、ＮＨ3、ＴＭＧおよびＴＭＡを水素をキャリアガスとして供給し、後述する障壁層２４ｂを３ｎｍ成長させる。これを複数回、本実施形態では２回繰返すことで、発光層２４が形成される。
【００３８】
さらに温度を８００℃に降温し、窒素をキャリアガスとして、ＮＨ3、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣｐ2Ｍｇを前記反応管に供給し、２００ｎｍ成長させてＭｇドープのｐ型コンタクト層２５（Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ）を形成し、エピウエハを作成した後、ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取出して、蒸着によってＮｉ，Ａｕを積層し、酸素雰囲気中で電気炉内でアニールを行い、Ｎｉ／Ａｕ：Ｏ層から成る透明電極２６を形成する。その後、Ａｕの蒸着と通常のフォトリソグラフィおよびエッチングを経て、ｐ型パッド電極２７を形成する。また、ｎ型コンタクト層２３には、ｎ型パッド電極２８を、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕを順次蒸着することによって形成する。
【００３９】
図４は、上述のように構成された発光素子２０のエネルギーバンド図である。この図４において図３に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。前記のとおり、ｎ型コンタクト層２３（ＧａＮ）のバンドギャップエネルギーは３．４２ｅＶである。また、前記のとおり、発光層２４の井戸層２４ａのバンドギャップエネルギーＷ２２は、前記Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎから２．７７ｅＶである。一方、前記発光層２４の障壁層２４ｂのバンドギャップエネルギーＷ２３は、Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎから３．７ｅＶである。そして、Ｍｇをドープしたｐ型コンタクト層２５のバンドギャップエネルギーＷ２１も前記のとおり、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎから３．１０ｅＶである。
【００４０】
したがって、このエネルギーバンド図において、井戸層２４ａのバンドギャップエネルギーＷ２２（２．７７ｅＶ）＜ｐ型コンタクト層２５のバンドギャップエネルギーＷ２１（３．１０ｅＶ）＜障壁層２４ｂのバンドギャップエネルギーＷ２３（３．７ｅＶ）となり、ｐ型コンタクト層２５のバンドギャップエネルギーＷ２１を障壁層２４ｂのバンドギャップエネルギーＷ２３よりも小さくするので、不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、該ｐ型コンタクト層２５の導電率やコンタクト抵抗を改善し、発光素子２０の特性を向上させることができる。一方、前記ｐ型コンタクト層２５のバンドギャップエネルギーＷ２１をむやみに小さくするのではなく、このｐ型コンタクト層２５のバンドギャップエネルギーＷ２１が井戸層２４ａのバンドギャップエネルギーＷ２２より大きいために、井戸層２４ａで発生した光は、該ｐ型コンタクト層２５で吸収されることなく放出させることができる。
【００４１】
上述の説明では、井戸層２４ａの組成をＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）で表し、ｐ型コンタクト層２５の組成をＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）で表し、障壁層２４ｂの組成をＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）で表すとき、ｘ＝０．２５、ｚ＝０．１２、ｙ＝０．１０であったけれども、これに限らず、０＜ｚ＜ｘとすればよい。これによって、近紫外から青色発光に用いられる発光素子において、従来、発光層２４としてＩｎxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮの量子井戸構造、ｐ型コンタクト層２５としてｐ型ＧａＮを用いていたものを、ｐ型コンタクト層２５として、井戸層２４ａに用いられる前記ＩｎxＧａ1-xＮ層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎzＧａ1-zＮ層（０＜ｚ＜１、０＜ｚ＜ｘ）を用いることで、従来のｐ型ＧａＮよりもｐ型不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、発光素子の特性向上を具体的に実現することができる。また、ｚ＜ｘとすることで、井戸層２４ａで発生した光を、ｐ型コンタクト層２５で吸収されることなく放出させることができる。
【００４２】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の第３の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子３０の積層構造を示す断面図である。この発光素子３０も、前述の図１や図３で示す発光素子１０，２０の積層構造と類似している。しかしながら、各層の組成、特に後述のｎ型コンタクト層３３、発光層３４およびｐ型コンタクト層３５の組成が図１および図３の例とは異なる。以下に、その具体的な製造方法を詳述する。
【００４３】
この発光素子３０では、３５０μｍのサファイア基板３１をＭＯＣＶＤ装置の反応管に設置し、１０５０℃の水素雰囲気中で前記サファイア基板３１をクリーニングした後に、５１０℃で水素をキャリアガスとして、ＮＨ3およびＴＭＧを前記反応管に供給し、ガリウム窒素低温バッファ層３２を２５ｎｍ形成する。その後、前記反応管の温度を１１００℃に昇温し、水素をキャリアガスとして、ＮＨ3、ＴＭＧ、ＴＭＡおよびＳｉＨ4を前記反応管に供給し、Ｓｉをドープしたｎ型コンタクト層３３（Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ）を２μｍ形成する。
【００４４】
そして、この上に発光層３４（Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ／Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ）を積層する。それには、反応管を１１００℃に保ったまま、ガスの流量比を代えて、それぞれの組成比のＡｌＧａＮを１０ｎｍずつ交互に成長させる。
【００４５】
その後、Ｃｐ2Ｍｇを前記反応管に追加供給し、２００ｎｍ成長させてＭｇドープのｐ型コンタクト層３５（Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ）を形成し、エピウエハを作成した後、ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取出して、蒸着によってＮｉ，Ａｕを積層し、酸素雰囲気中で電気炉内でアニールを行い、Ｎｉ／Ａｕ：Ｏ層から成る透明電極３６を形成する。その後、Ａｕの蒸着と通常のフォトリソグラフィおよびエッチングを経て、ｐ型パッド電極３７を形成する。また、ｎ型コンタクト層３３には、ｎ型パッド電極３８を、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕを順次蒸着することによって形成する。
【００４６】
図６は、上述のように構成された発光素子３０のエネルギーバンド図である。この図６において図５に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。ｎ型コンタクト層３３のバンドギャップエネルギーは、その組成がＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎであることから、４．０ｅＶである。また、発光層３４の井戸層３４ａのバンドギャップエネルギーＷ３２は、前記Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎから３．７ｅＶである。一方、前記発光層３４の障壁層３４ｂのバンドギャップエネルギーＷ３３は、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎから前記４．０ｅＶである。そして、Ｍｇをドープしたｐ型コンタクト層２５のバンドギャップエネルギーＷ３１は、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから３．８ｅＶである。
【００４７】
したがって、このエネルギーバンド図において、井戸層３４ａのバンドギャップエネルギーＷ３２（３．７ｅＶ）＜ｐ型コンタクト層３５のバンドギャップエネルギーＷ３１（３．８ｅＶ）＜障壁層３４ｂのバンドギャップエネルギーＷ３３（４．０ｅＶ）となり、ｐ型コンタクト層３５のバンドギャップエネルギーＷ３１を障壁層３４ｂのバンドギャップエネルギーＷ３３よりも小さくするので、このようにしてもまた不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、該ｐ型コンタクト層３５の導電率やコンタクト抵抗を改善し、発光素子３０の特性を向上させることができる。一方、前記ｐ型コンタクト層３５のバンドギャップエネルギーＷ３１をむやみに小さくするのではなく、このｐ型コンタクト層３５のバンドギャップエネルギーＷ３１が井戸層３４ａのバンドギャップエネルギーＷ３２より大きいために、井戸層３４ａで発生した光は、該ｐ型コンタクト層３５で吸収されることなく放出させることができる。
【００４８】
上述の説明では、井戸層３４ａの組成をＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）で表し、ｐ型コンタクト層３５の組成をＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）で表し、障壁層３４ｂの組成をＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ＜ｙ＜１）で表すとき、ｘ＝０．１０、ｚ＝０．１５、ｙ＝０．２０であったけれども、これに限らず、０＜ｘ＜ｚ＜ｙとすればよい。これによって、紫外発光に用いられる発光素子において、従来、発光層３４としてＡｌＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造、ｐ型コンタクト層３５としてｐ型ＡｌＧａＮを用いていたものを、ｐ型コンタクト層３５として、井戸層３４ａに用いられる前記ＧａＮ層よりバンドギャップエネルギーのわずかに大きいＡｌＧａＮ層を用いることで、従来のｐ型ＡｌＧａＮ層よりもｐ型不純物の活性化エネルギーを小さくすることができ、発光素子の特性向上を具体的に実現することができる。また、ｚ＜ｙとして、障壁層３４ｂに用いられているＡｌＧａＮ層よりバンドギャップエネルギーの小さなｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることで、井戸層３４ａで発生した光を、該ｐ型コンタクト層３５で吸収されることなく放出させることができる。
【００４９】
前記ｐ型コンタクト層１５，２５，３５にドープされる元素は、Ｍｇに限らず、Ｚｎなどの他のｐ型の不純物であってもよい。しかしながら、III族窒化物半導体で用いることができるｐ型不純物として、上記ＭｇやＺｎは活性化エネルギーが小さく、好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の積層構造を示す断面図である。
【図２】図１で示す発光素子のエネルギーバンド図である。
【図３】本発明の実施の第２の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の積層構造を示す断面図である。
【図４】図３で示す発光素子のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の実施の第３の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の積層構造を示す断面図である。
【図６】図５で示す発光素子のエネルギーバンド図である。
【図７】III族窒化物半導体発光素子の一般的な積層構造を示す断面図である。
【図８】図７で示す発光素子のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０，２０，３０    発光素子
１１，２１，３１    サファイア基板
１２，２２，３２    バッファ層
１３，２３，３３    ｎ型コンタクト層１３
１４，２４，３４    発光層
１４ａ，２４ａ，３４ａ
１４ｂ，２４ｂ，３４ｂ
１５，２５，３５    ｐ型コンタクト層
１６，２６，３６    透明電極
１７，２７，３７    ｐ型パッド電極
１８，２８，３８    ｎ型パッド電極
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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