(57)【要約】      （修正有）【課題】低い駆動電圧で発光させることができる発光素子を提供する。【解決手段】ｎ側半導体層１０とｐ側半導体層２０と井戸層４ｗと障壁層４ｂとを含み、ｎ側半導体層とｐ側半導体層の間に設けられた活性層４と、を備え、障壁層が、活性層における最もｐ側半導体層側の層として設けられた最終障壁層４ｆｂを含み、ｐ側半導体層は、活性層側から順に、最も活性層側の層として設けられた第１層５と、ｐ型不純物を含み最終障壁層よりバンドギャップの大きい第２層６と、を含み、第１層は、最終障壁層よりバンドギャップが小さく、井戸層よりバンドギャップが大きく、最終障壁層より膜厚が薄い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側半導体層と、
ｐ側半導体層と、
井戸層と障壁層とを含み、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられた活性層と、を備え、
前記障壁層が、前記活性層における最もｐ側半導体層側の層として設けられた最終障壁層を含み、
前記ｐ側半導体層は、活性層側から順に、最も活性層側の層として設けられた第１層と、ｐ型不純物を含み前記最終障壁層よりバンドギャップの大きい第２層と、を含み、
前記第１層は、前記最終障壁層よりバンドギャップが小さく、前記井戸層よりバンドギャップが大きく、前記最終障壁層より膜厚が薄いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１層の膜厚は、前記井戸層の膜厚より小さい請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１層は、アンドープ層である請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１層と前記井戸層はそれぞれＩｎを含み、前記第１層のＩｎ含有量は、前記井戸層のＩｎ含有量より小さい請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１層は、前記最終障壁層に接している請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項６】
前記最終障壁層は、ＧａＮ又はＡｌＧａＮからなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項７】
前記最終障壁層は、アンドープ層である請求項１〜６のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項８】
前記第１層は、ＩｎＧａＮからなる請求項１〜７のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項９】
前記第１層の膜厚は、０．５ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項１０】
前記ｎ側半導体、前記ｐ側半導体層、前記第１層、及び前記活性層は、サファイア基板上に設けられている請求項１〜９のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項１１】
前記第２層は、ｐ型不純物としてＭｇを含むＡｌＧａＮからなる請求項１〜１０のいずれか１つに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード等の半導体発光素子が各種照明等の種々の用途に使用されている。これに伴い発光素子には低い駆動電圧で高輝度に発光させることが求められている。このような要求に応えるため、例えば、特許文献１には、電極構造の工夫により、電流を分散させて駆動電圧を減少させかつ輝度を向上させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１６１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年ではさらに駆動電圧の低い発光素子が求められており、従来の発光装置では十分にその高い要求に応えられていないのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明に係る実施形態では、より低い駆動電圧で発光させることができる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】
【０００６】
以上の目的を達成するために、本発明に係る実施形態の発光素子は、
ｎ側半導体層と、
ｐ側半導体層と、
井戸層と障壁層とを含み、前記ｎ側半導体層と前記ｐ側半導体層の間に設けられた活性層と、を備え、
前記障壁層が、前記活性層における最もｐ側半導体層側の層として設けられた最終障壁層を含み、
前記ｐ側半導体層は、活性層側から順に、最も活性層側の層として設けられた第１層と、ｐ型不純物を含み前記最終障壁層よりバンドギャップの大きい第２層と、を含み、
前記第１層は、前記最終障壁層よりバンドギャップが小さく、前記井戸層よりバンドギャップが大きく、前記最終障壁層より膜厚が薄いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように構成された本発明に係る実施形態の発光素子では、より低い駆動電圧で発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る実施形態の発光素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の発光素子について説明する。
実施形態の発光素子１００は、基板１と、基板１上に設けられた下地層２、ｎ側半導体層１０、活性層４及びｐ側半導体層２０とを含む。ｎ側半導体層１０は、基板１上に下地層２を介して設けられ、少なくともｎ型コンタクト層３を含む。活性層４は、ｎ側半導体層上に設けられ、交互に設けられた障壁層４ｂ及び井戸層４ｗと、活性層４における最もｐ側半導体層２０側の層として設けられた最終障壁層４fｂとを含む。ｐ側半導体層２０は、活性層４上に設けられ、活性層４側から順に第１層５と第２層６とｐ型コンタクト層７とを含む。ｐ側半導体層２０において、第２層６は、ｐ型不純物を含み、最終障壁層４fｂより大きいバンドギャップを有する。また、ｐ側半導体層２０において、第１層５は、最終障壁層４fｂと第２層６の間に最も活性層４側の層として設けられ、最終障壁層４fｂに接して設けられる。また、第１層５は、最終障壁層４fｂより小さくかつ井戸層４ｗより大きいバンドギャップを有し、最終障壁層４fｂより膜厚が薄くなるように構成されている。
また、ｐ型コンタクト層７の表面の一部にはｐ電極８が設けられ、一部の領域のｐ型コンタクト層７、第２層６、第１層５及び活性層４を除去して露出させたｎ型コンタクト層３の表面（電極形成面）にはｎ電極８が設けられている。
【００１０】
以上のように構成されて実施形態の発光素子は、最終障壁層４fｂと第２層６の間に、最終障壁層４fｂよりバンドギャップが小さくかつ最終障壁層４fｂより薄い第１層５が設けられているので、第２層６に含まれるｐ型不純物の活性化率を大きくでき、第２層６のキャリア濃度を大きくすることができる。これにより、実施形態の発光素子１００では、第２層６を低抵抗にでき、駆動電圧を低くできると考えられる。
【００１１】
例えば、窒化物半導体にＭｇ等のｐ型不純物をドープした場合、一般的に、バンドギャップの大きい窒化物半導体ほどｐ型不純物の活性化率が低くなる傾向にある。
これに対して、最終障壁層４fｂと第２層６の間に、最終障壁層４fｂよりバンドギャップの小さい第１層５を介在させると、第２層６の第１層５側のバンドギャップを小さくできる。これにより、第２層６における第１層５側の活性化率を高くでき、第２層６のキャリア濃度を高くすることができる。したがって、実施形態の発光素子は、駆動電圧を低くできる。
【００１２】
また、窒化物半導体を用いて構成した発光素子について言えば、最終障壁層４fｂと第２層６の間に、最終障壁層４fｂよりバンドギャップの小さい第１層５を介在させると、接合界面の自発分極及びピエゾ分極による内部電界を小さくできる。これにより、第２層６から活性層４に注入されるホールに対する障壁が低減されて、より駆動電圧を低くできる。
【００１３】
以下、本実施形態の第１層５についてより詳細に説明する。
第１層５は、上述したように、最終障壁層４fｂと第２層６の間に設けられた、最終障壁層４fｂよりバンドギャップの小さい層であり、第２層６の第１層５側のバンドギャップを小さくして、第２層６における第１層５側の活性化率を高くし、さらに活性層４に注入されるホールに対する障壁を低くする機能を有している。したがって、この第１層５の膜厚は、第２層６の第１層５側のバンドギャップを小さくできる限り、薄くすることが好ましく、例えば、井戸層４ｗの膜厚より小さい０．５ｎｍ〜２、５ｎｍの範囲に設定され、好ましくは、１ｎｍ〜２ｎｍの範囲に設定される。第１層５の膜厚を厚くした場合、発光素子１００の駆動電圧が上昇し、光出力が低下するおそれがある。
【００１４】
また、第１層５は、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物を含んでいても良いが、アンドープ層であることが好ましい。ここで、アンドープ層とは、不純物を含有させるための原料ガスを含むことなく成長させた層をいい、不可避的に混入される不純物を含んでいる層も含む。アンドープ層に含まれる不純物の濃度は、５×１０１７／ｃｍ３以下程度である。
【００１５】
また、窒化物半導体を用いて構成した発光素子では、第１層５は、Ｉｎを含む窒化物半導体であることが好ましく、例えば、井戸層４ｗがＩｎを含む窒化物半導体である場合、例えば、第１層５のＩｎ含有量を井戸層４ｗのＩｎ含有量より小さくすることにより、第１層５のバンドギャップを井戸層４ｗのバンドギャップより大きくできる。
さらに第１層５は、ＧａＮにおけるＧａの一部がＩｎにより置換されたＩｎＧａＮからなることが好ましい。
【００１６】
また、最終障壁層４fｂと第２層６の間において、第１層５が第２層６の第１層５側のバンドギャップを小さくするという機能を発揮できる限り、第１層５と第２層６との間に別の層を設けても良い。しかしながら、本実施形態の発光素子１００では、より効果的に第２層６の第１層５側のバンドギャップを小さくするために、第１層５は第２層６に接していることが好ましい。
【００１７】
また、最終障壁層４fｂと第２層６の間において、第１層５が第２層６の第１層５側のバンドギャップを小さくするという機能を発揮できる限り、第１層５と最終障壁層４fｂとの間に別の層を設けても良い。しかしながら、本実施形態の発光素子１００では、最終障壁層４fｂと第１層５の界面に生じる分極電荷により最終障壁層４ｆｂの内部電界を制御するために、第１層５は最終障壁層４fｂに接していることが好ましい。
【００１８】
また、例えば、発光ピーク波長が２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の比較的短波長である発光素子を構成する際に、特に、本実施形態の発光素子のように第１層５を設ける意義はおおきい。
その理由は、第１層５を含まない従来の発光素子であっても、第２層６のバンドギャップより最終障壁層４fｂのバンドギャップを小さくして、第２層と最終障壁層とが接触するように構成すると、第２層の最終障壁層側のバンドギャップは小さくなる。しかしながら、発光ピーク波長が短波長である発光素子では、最終障壁層を含む障壁層のバンドギャップを大きくする必要があるために、第２層と最終障壁層との間のバンドギャップ差を大きくすることができない場合がある。このような場合、第２層６と最終障壁層４fｂとを直接接するように構成しても、第２層６の最終障壁層４fｂ側のバンドギャップの低下は小さく、駆動電圧の低減効果は期待できない。
【００１９】
これに対して、本実施形態の発光素子のように、第２層６とのバンドギャップの差が大きい第１層５を第２層６と最終障壁層４fｂの間に介在させることで、第２層６と最終障壁層４fｂとの間のバンドギャップの差を大きくでき、第２層６の最終障壁層４fｂ側のバンドギャップの低下を大きくできる。したがって、実施形態の発光素子によれば、第２層６及び最終障壁層４fｂ間のバンドギャップの差が比較的小さい場合であっても、効果的に駆動電圧を低減できる。
【００２０】
尚、紫外光や近紫外光のように発光ピーク波長が短波長である発光素子において、最終障壁層を含む障壁層は、一般的に、ＧａＮ、又はＧａＮにおけるＧａの一部がＡｌにより置換されたＡｌＧａＮにより構成される。したがって、最終障壁層が、ＧａＮ又はＧａＮにおけるＧａの一部がＡｌにより置換されたＡｌＧａＮにより構成されているとき、第１層５を設ける意義は大きいと言える。
【００２１】
以下、本実施形態の発光素子における各構成要素について説明する。
【００２２】
（基板１）
半導体層を形成するための基板１は、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板を用いることができる。また、基板１として、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどを用いても良い。また、窒化物半導体と格子整合する酸化物基板を用いることもできる。中でも、サファイア基板が好ましい。基板１は、最終的に取り除いてもよいし、取り除かなくてもよい。基板１上には、ｎ側半導体層１０、活性層４、及びｐ側半導体層２０以外に、低温成長バッファ層などが下地層２として形成されていてもよい。
【００２３】
（ｎ側半導体層１０、活性層４、ｐ側半導体層２０）
窒化物半導体としては、III−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１））が挙げられる。さらに、III族元素の一部又は全部にＢを用いたり、Ｖ族元素のＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂで置換した混晶であってもよい。これらの窒化物半導体層は、通常、ｎ型、ｐ型のいずれかの不純物がドーピングされている。半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等の公知の技術により形成することができる。
【００２４】
ｎ側半導体層１０は、少なくともその一部分にｎ型不純物を含有し、電極形成面内及び発光層へのキャリアの供給、拡散を実現するような層構造であることが適当である。特に、ｎ電極８から活性層４に向かってキャリアを面内拡散して供給するために、比較的高濃度ドープされたｎ型コンタクト層３を有していることが好ましい。ｎ型コンタクト層３は、ＧａＮにより構成されることが好ましい。さらに、積層方向において活性層４へ電荷を移動・供給させる電子拡散層を有していることが好ましい。活性層４とｎ型コンタクト層３との間に、比較的低濃度ドープ量又はアンドープの窒化物半導体層、及び／又は多層膜層を設けることが好ましい。これにより、その上に成長させるｎ型コンタクト層３及び／又は活性層４等の結晶性を良好にし、駆動時に電流の面内拡散を促進するとともに、耐圧性も向上できる。多層膜層は、少なくとも２種の層を交互に積層させたような超格子構造を含むことが好ましい。
【００２５】
活性層４としては、特に、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いれば、紫外域から可視光（赤色光）の領域において発光が可能でかつ高い発光効率が得られ好ましい。例えば、井戸層４ｗをＩｎXＧａ1-XＮにより構成する場合には、所望の発光色が得られるようにＩｎ組成ｘを設定する。また、障壁層４ｂ及び最終障壁層４fｂは、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等により構成することができる。
井戸層４ｗ、障壁層４ｂ及び最終障壁層４fｂは、Ｓｉ等のｎ型不純物及び／又はＭｇ等のｐ型不純物を含んでいても良いが、アンドープであることが好ましい。
【００２６】
ｐ側半導体層２０は、第２層６、電極が形成されるｐ型コンタクト層７等を有している。例えば、第２層６は、ｐ型不純物としてＭｇを含むＡｌＧａＮにより構成され、ｐ型コンタクト層７は、ｐ型不純物としてＭｇを含むＧａＮにより構成される。また、第２層６の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましく、これにより、ｐ層半導体層２０側への電子のオーバーフローを抑制し、発光素子１００の内部量子効率を高めることができる。
【００２７】
ｐ側半導体層２０において、ｐ型コンタクト層７と第２層６との間にそれらの層より低不純物濃度の層を介在させてもよい。例えば、ｐ側半導体層２０において、第２層６上に膜厚が１００ｎｍ程度であるアンドープのＧａＮを積層させることができる。これにより、静電耐圧の高い素子を構成することができ、コンタクト層を高濃度にドープしても結晶性を改善することができる。
【実施例】
【００２８】
実施例の発光素子を以下のように作製した。
（基板１）
基板１として、サファイア（Ｃ面）よりなる基板を用い、ＭＯＣＶＤ反応容器内において水素雰囲気中、１０５０℃で表面のクリーニングを行った。
【００２９】
（バッファ層）
温度を５５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、基板上にＡｌＧａＮよりなるバッファ層を約１２ｎｍの膜厚に成長させた。
（下地層１）
温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、基板上にＧａＮよりなる下地層１を約１μｍの膜厚に成長させた。
（下地層２）
続いて、温度を１１５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、基板上にＧａＮよりなる下地層２を約１μｍの膜厚に成長させた。
【００３０】
（ｎ型コンタクト層３）
次に、１１５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、モノシランを用い、Ｓｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を６μｍの膜厚に成長させて形成した。
【００３１】
（超格子層）
次に、温度を８６０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、ＧａＮよりなる膜厚が２ｎｍの層と、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなる膜厚が１ｎｍの層とを交互に２０ペア成長させた。
（活性層４）
次に、温度を８４０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、ＧａＮよりなる膜厚が４．５ｎｍの障壁層４ｂとＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる膜厚が３．５ｎｍの井戸層４ｗを交互に９ペア成長させ、最後にＧａＮよりなる最終障壁層４fｂを４．５ｎｍの厚さに成長させて活性層４を形成した。
【００３２】
（第１層５）
次に、温度を８４０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、最終障壁層４fｂの上に、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる第１層５を２ｎｍの膜厚に成長させた。
【００３３】
（第２層６）
次に、８４０℃でＴＥＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎよりなる第２層６を１０ｎｍの膜厚に成長させた。
【００３４】
（ｐ型コンタクト層７）
続いて、第２層６上に、アンドープのＧａＮを１００ｎｍの膜厚に成長させ、そのアンドープのＧａＮの層上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇを５×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層７を２３ｎｍの膜厚に成長させた。
【００３５】
成長終了後、窒素雰囲中、ウェハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、第２層６及びｐ型コンタクト層７を低抵抗化した。
【００３６】
アニーリング後、一部の領域のｐ型コンタクト層７、第２層６、第１層５及び活性層４を除去して、ｎ電極８を形成するための表面（電極形成面）を露出させた。
【００３７】
最後に、ｐ型コンタクト層７表面の一部及び電極形成面にそれぞれｐ電極９及びｎ電極８を形成した。
【００３８】
実施例に係る発光素子において、順方向電流４０ｍＡを流すために必要な駆動電圧は３．３９Ｖであった。
【比較例】
【００３９】
比較例に係る発光素子は、実施例における第１層５を形成していない構成を有する発光素子である。第１層５を形成しないこと以外は、実施例に係る発光素子と同じ構成であるため詳細な説明は省略する。
【００４０】
比較例に係る発光素子において、順方向電流４０ｍＡを流すために必要な駆動電圧は３．４３Ｖであった。
【００４１】
実施例に係る発光素子は、駆動電圧が比較例に係る発光素子に比べて駆動電圧を０．０４Ｖ、つまり約１．２％低減できていることが確認できた。
【符号の説明】
【００４２】
１  基板
２  下地層
３  ｎ型コンタクト層
４  活性層
４ｂ  障壁層
４fｂ  最終障壁層
４ｗ  井戸層
５  第１層
６  第２層
７  ｐ型コンタクト層
１０  ｎ側半導体層
２０  ｐ側半導体層
１００  発光素子
【図１】
2018050012.tif 000003