(57)【要約】【課題】接触層と電極との界面にショットキー障壁が形成されるのを抑制可能な窒化物系半導体発光素子を提供すること。【解決手段】ＧａＮ基板３と、ＧａＮ基板３の主面Ｓ１に設けられており発光層１１を含む六方晶系の窒化ガリウム系半導体領域５と、窒化ガリウム系半導体領域５上に設けられており金属からなるｐ電極２１とを備える窒化物系半導体発光素子のＬＤ１を提供する。窒化ガリウム系半導体領域５は、歪みを内包する接触層１７を含み、接触層１７はｐ電極と接しており、主面Ｓ１は、ＧａＮ基板３のｃ軸方向に直交する面から所定の傾斜角度θで傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びており、傾斜角度θは、４０度より大きく９０度より小さい範囲、又は、１５０度以上１８０度未満の範囲、の何れかに含まれている。窒化ガリウム系半導体領域５はＧａＮ基板３に格子整合している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系半導体発光素子であって、
ＧａＮ基板と
前記ＧａＮ基板の主面に設けられており発光層を含む六方晶系の窒化ガリウム系半導体領域と、
前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられており金属からなる電極と
を備え、
前記窒化ガリウム系半導体領域は、歪みを内包する接触層を含み、
前記接触層は前記電極と接しており、
前記主面は、前記ＧａＮ基板のｃ軸方向に直交する面から所定の傾斜角度で傾斜した基準平面に沿って延びており、
前記傾斜角度は、４０度より大きく９０度より小さい範囲、又は、１５０度以上１８０度未満の範囲、の何れかに含まれ、
前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記ＧａＮ基板に格子整合しており、
前記接触層は、ｐ型ドープされたＩｎＧａＮ、又は、ｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなり、
前記接触層がｐ型ドープされたＩｎＧａＮからなる場合、前記接触層のＩｎの組成比は１％以上２０％以下の範囲内にあり、前記接触層がｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる場合、前記接触層のＩｎの組成比は、前記接触層のＡｌの組成比に０．２２を乗じた値よりも大きい、ことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記傾斜角度は、６３度以上８３度未満の範囲内にある、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層は、５００ｎｍ以上の所定範囲内にピーク波長を有する光を発光する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には高効率ＧａＮ系の光半導体素子の構造が開示されている。特許文献１の光半導体素子である発光素子は、歪みを内包する歪量子井戸層を含む複数のＧａＮ系半導体層を備える。この発光素子は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ等の基板にｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、多重歪量子井戸層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順次堆積して形成される。更に、ｎ型ＧａＮコンタクト層とｐ型ＧａＮコンタクト層とのそれぞれには、それぞれの電極となるｎ電極とｐ電極とが形成されている。多重歪量子井戸層はＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重歪量子井戸層又はＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多重歪量子井戸層が用いられている。そして、この多重歪量子井戸層の成長面の面方位は、ピエゾ電解が最大となる方位とは異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１１２０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の光半導体素子はｐ型ＧａＮ接触層とｐ電極とを備え、ｐ電極はｐ型ＧａＮ接触層に接している。このような光半導体素子の場合、ｐ型ＧａＮは比較的大きな仕事関数を有しているので、ｐ型ＧａＮ接触層とｐ電極との界面にショットキー障壁が形成される場合がある。そこで本発明の目的は、接触層と電極との界面にショットキー障壁が形成されるのを抑制可能な窒化物系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】
【０００５】
本発明の窒化物系半導体発光素子は、ＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の主面に設けられており発光層を含む六方晶系の窒化ガリウム系半導体領域と、前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられており金属からなる電極とを備え、前記窒化ガリウム系半導体領域は、歪みを内包する接触層を含み、前記接触層は前記電極と接しており、前記主面は、前記ＧａＮ基板のｃ軸方向に直交する面から所定の傾斜角度で傾斜した基準平面に沿って延びており、前記傾斜角度は、４０度より大きく９０度より小さい範囲、又は、１５０度以上１８０度未満の範囲、の何れかに含まれ、前記窒化ガリウム系半導体領域は前記ＧａＮ基板に格子整合しており、前記接触層は、ｐ型ドープされたＩｎＧａＮ、又は、ｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなり、前記接触層がｐ型ドープされたＩｎＧａＮからなる場合、前記接触層のＩｎの組成比は１％以上２０％以下の範囲内にあり、前記接触層がｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる場合、前記接触層のＡｌの組成比は、前記接触層のＩｎの組成比に０．３３を乗じた値より小さい、ことを特徴とする。
【０００６】
したがって、本発明の窒化物系半導体発光素子によれば、ＧａＮ基板の主面とＧａＮ基板のｃ軸方向に直交する面との成す角が、４０度より大きく９０度より小さい範囲、又は、１５０度以上１８０度未満の範囲、の何れかに含まれる値の場合には、ＧａＮ基板と窒化ガリウム系半導体領域とが格子整合しているので、ｐ型ドープされたＩｎＧａＮ又はｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる接触層内には基準平面に沿った向きに圧縮応力が生じており、よって、負のピエゾ電界が生じている。このような負のピエゾ電界によって、接触層内のエネルギーバンドが、ショットキー障壁の低減する方向に変化する。接触層がｐ型ドープされたＩｎＧａＮからなる場合、接触層のＩｎの組成比が１％以上２０％以下の範囲内にあれば、例えば１０−５０ｎｍの厚みの接触層において格子緩和により圧縮応力が解放されることがなく接触層内のエネルギーバンドのショットキー障壁が低減される。接触層がｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる場合、接触層のＩｎの組成比がＡｌの組成比に０．２２を乗じた値よりも大きい値となっていれば、接触層がＧａＮ基板に対して圧縮応力を持つ。
【０００７】
また、本発明の窒化物系半導体発光素子において、前記傾斜角度は、６３度以上８３度未満の範囲内にあるのが好ましい。傾斜角度が６３度以上８３度未満の範囲内にある場合に、負のピエゾが最大になるので、駆動電圧が十分に低減される。
【０００８】
また、本発明の窒化物系半導体発光素子では、前記発光層は、５００ｎｍ以上の所定範囲内にピーク波長を有する光を発光するのが好ましい。発光層での電圧降下が顕著となり素子全体の駆動電圧が高くなる５００ｎｍ以上のピーク波長の光を発光する場合であっても、本発明によれば、駆動電圧が低減できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、接触層と電極との界面にショットキー障壁が形成されるのを抑制可能な窒化物系半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係るＬＤの構成を説明するための図である。
【図２】実施形態に係るＬＤの効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係るＬＤ１の構成を説明するための図である。ＬＤ１は、ＧａＮ基板３、窒化ガリウム系半導体領域５、絶縁膜１９、ｐ電極２１及びｎ電極２３を備える窒化物系半導体発光素子である。ｎ電極２３、ＧａＮ基板３、窒化ガリウム系半導体領域５、ｐ電極２１は、所定のｚ軸方向に沿って順次設けられている。
【００１２】
ＧａＮ基板３は、ｎ電極２３と窒化ガリウム系半導体領域５（特に光閉じ込め層７）との間に設けられており、ｎ電極２３に接している。ＧａＮ基板３は、主面Ｓ１を有する。主面Ｓ１は、ＧａＮ基板３の表面のうち、ｎ電極２３の反対側にある表面である。主面Ｓ１は、ＧａＮ基板３のｃ軸方向に直交する面から所定の傾斜角度θで傾斜した基準平面Ｓ５に沿って延びている。傾斜角度θは、４０度より大きく９０度より小さい範囲、又は、１５０度以上１８０度未満の範囲、の何れかに含まれるが（４０度＜θ＜９０、又は、１５０度≦θ≦１８０）、６３度以上８３度未満の範囲内（６３度≦θ＜８３度）にあるのがより好ましい。
【００１３】
窒化ガリウム系半導体領域５は、ＧａＮ基板３とｐ電極２１との間に設けられており、ＧａＮ基板３の主面Ｓ１を介してＧａＮ基板３に接している。窒化ガリウム系半導体領域５は、六方晶系の窒化ガリウム系半導体からなり、主面Ｓ１に設けられている。窒化ガリウム系半導体領域５はＧａＮ基板３に格子整合している。窒化ガリウム系半導体領域５は、光閉じ込め層７、光ガイド層９、発光層１１、光ガイド層１３、光閉じ込め層１５及び接触層１７を有する。光閉じ込め層７、光ガイド層９、発光層１１、光ガイド層１３、光閉じ込め層１５、接触層１７は、主面Ｓ１上においてｚ軸方向に沿って順次設けられている。
【００１４】
光閉じ込め層７は、ＧａＮ基板３と光ガイド層９との間に設けられており、主面Ｓ１を介してＧａＮ基板３に接している。光ガイド層９は、光閉じ込め層７と発光層１１との間に設けられており、光閉じ込め層７に接している。発光層１１は、光ガイド層９と光ガイド層１３との間に設けられており、光ガイド層９に接している。発光層１１は、複数の井戸層と複数の障壁層とを含む多重量子井戸構造を有しており、光ガイド層９は、発光層１１の障壁層に接している。発光層１１は、５００ｎｍ以上の所定範囲内（好ましくは５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内）にピーク波長を有する光を発光する。光ガイド層１３は、発光層１１と光閉じ込め層１５との間に設けられており、発光層１１（特に障壁層）に接している。
【００１５】
光閉じ込め層１５は、光ガイド層１３と接触層１７との間に設けられており、光ガイド層１３に接している。接触層１７は、光閉じ込め層１５とｐ電極２１との間に設けられており、接触層１７の界面Ｓ３を介して光閉じ込め層１５に接している。また、接触層１７はｐ電極２１に接している。ｎ電極２３は、ＧａＮ基板３に接している。
【００１６】
光閉じ込め層１５及び接触層１７は、ストライプ形状部分２５をなす。ストライプ形状部分２５は、光ガイド層１３の表面Ｓ７（この表面は、発光層１１との界面の反対側にある）の一部に設けられたｙ軸方向に延びる凸形状をなしている。光ガイド層１３の表面Ｓ７には、絶縁膜１８、ストライプ形状部分２５、絶縁膜１９が、ｘ軸方向に沿って順次配置されている。ストライプ形状部分２５は、絶縁膜１８と絶縁膜１９との間に設けられており、絶縁膜１８と絶縁膜１９とに接している。絶縁膜１８及び絶縁膜１９は、表面Ｓ７を介して光ガイド層１３に接している。
【００１７】
次に、ＬＤ１の実施例を説明する。ＧａＮ基板３の主面Ｓ１は、ｍ軸方向に７５度オフ面（（２０−２１）面）となっている。光閉じ込め層７は、ＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎの組成比は３％であり、Ａｌの組成比は１４％である）又はＡｌＧａＮ（Ａｌの組成比は７％である）からなり、１２００ｎｍ程度の厚みを有する。光ガイド層９及び光ガイド層１３は、何れも、ＩｎＧａＮ（Ｉｎの組成比は３％である）からなり、１００ｎｍ程度の厚みを有する。発光層１１の複数の井戸層は、何れも、ＩｎＧａＮ（Ｉｎの組成比は３０％である）からなり、３ｎｍ程度の厚みを有する。発光層１１の複数の障壁層は、何れも、ＩｎＧａＮ（Ｉｎの組成比は０〜３％である）からなり、１０ｎｍ程度の厚みを有する。発光層１１は、５２０ｎｍ帯の光を発光する。
【００１８】
光閉じ込め層１５は、ｐ型ドープされたＡｌＧａＮ（Ａｌの組成比は７％）又はｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎの組成比は３％であり、Ａｌの組成比は１４％である）からなり、４００ｎｍ程度の厚みを有する。接触層１７は、ｐ型ドープされたＩｎＧａＮ又はｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなり、１０〜５０ｎｍ程度の厚みを有する。接触層１７がｐ型ドープされたＩｎＧａＮからなる場合、接触層１７のＩｎの組成比は１％以上２０％以下の範囲内にある。接触層１７がｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる場合、接触層１７のＩｎの組成比は、接触層１７のＡｌの組成比に０．２２を乗じた値よりも大きい値となっている。光閉じ込め層１５のバンドギャップエネルギーは、接触層１７のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【００１９】
絶縁膜１９は、ＳｉＯ２からなる。ｐ電極２１は、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｐｄ、Ｐｄ／Ａｕ、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ及びＰｄ／Ｐｔ／Ａｕの何れかからなる。ｎ電極２３は、Ｔｉ／Ａｌからなる。
【００２０】
また、窒化ガリウム系半導体領域５の基準平面Ｓ５に沿った方向の幅は４００μｍ程度であり、基準平面Ｓ５に直交する方向の高さは１００μｍ程度である。ストライプ形状部分２５は、窒化ガリウム系半導体領域５の基準平面Ｓ５に沿った方向の幅が２μｍ程度であり、基準平面Ｓ５に直交する方向の高さが１μｍ程度である。
【００２１】
次に、実施例に係るＬＤ１の製造方法の概略について説明する。まず、ＧａＮ基板３に相当するＧａＮ基板の表面に、窒化ガリウム系半導体領域５に相当する窒化ガリウム系半導体領域を形成した。次に、ドライエッチングによってストライプ形状部分２５に相当する部分を形成した。次に、このドライエッチングによって除去された部分に絶縁膜１８及び絶縁膜１９に相当するＳｉＯ２絶縁膜をスパッタリングによって成膜し、この後、ｐ電極２１を形成し、複数のＬＤ１に分割した。
【００２２】
以上説明した本実施例に係るＬＤ１によれば、主面Ｓ１とＧａＮ基板３のｃ軸方向に直交する面との成す角（傾斜角度θ）が、４０度より大きく９０度より小さい範囲、又は、１５０度以上１８０度未満の範囲、の何れかに含まれる値の場合、ＧａＮ基板３と窒化ガリウム系半導体領域５とが格子整合しているので、ｐ型ドープされたＩｎＧａＮ又はｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる接触層１７内には基準平面Ｓ５に沿った向きに圧縮応力が生じており、よって、負のピエゾ電界が生じている。このような負のピエゾ電界によって、接触層１７内のエネルギーバンドがショットキー障壁の低減する方向に変化する。したがって、ＬＤ１の動作電圧が低減される。実際、本実施例に係るＬＤ１の接触層１７に替えてｐ型ドープされたＧａＮからなる接触層１７ａを用いた他のＬＤの動作電圧の実測値が１０（ボルト）であったが、本実施例に係るＬＤ１の動作電圧の実測値は６（ボルト）であった。
【００２３】
図２（Ａ）に、光閉じ込め層１５及び接触層１７のバンドギャップを示す。図２（Ｂ）には、本実施例に係るＬＤ１の接触層１７に替えてｐ型ドープされたＧａＮからなる接触層１７ａを用いた上記他のＬＤの光閉じ込め層１５及び接触層１７ａのバンドギャップを示す。図中符号Ｆはフェルミ準位を示し、図中符号Ｈは、ホール電流の向きを示す。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、本実施例に係るＬＤ１の接触層１７のバンドギャップは、本実施例に係るＬＤ１の接触層１７のショットキー障壁ＳＢ１が上記の他のＬＤの接触層１７ａのショットキー障壁ＳＢ２よりも低減する方向に変化している。
【００２４】
また、接触層１７がｐ型ドープされたＩｎＧａＮからなる場合、接触層１７のＩｎの組成比が１％以上の場合に接触層１７内のエネルギーバンドのショットキー障壁が低減され、接触層１７のＩｎの組成比が２０％を超えると１０−５０ｎｍの厚みの接触層１７において格子緩和により圧縮応力が解放されることから、接触層１７のＩｎの組成比を１％以上２０％以下の範囲内とした。また、接触層１７がｐ型ドープされたＩｎＡｌＧａＮからなる場合、接触層１７がＧａＮ基板３に対して圧縮応力を持つようにするために、接触層１７のＡｌの組成比を、接触層１７のＩｎの組成比に０．３３を乗じた値よりも小さい値とした。また、傾斜角度θが６３度以上８３度未満の範囲内にあれば、負のピエゾが最大になるので、本実施例に係るＬＤ１の駆動電圧が十分に低減できる。また、上記他のＬＤが５００ｎｍ以上のピーク波長の光を発光する構成であれば発光層１１での電圧降下が顕著となりＬＤ１全体の駆動電圧が高くなるが、本実施例に係るＬＤ１は、５２０ｎｍ帯の光を発光するものであるが、上記他のＬＤに比較して駆動電圧が低減できる。
【００２５】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００２６】
１…ＬＤ、３…ＧａＮ基板、５…窒化ガリウム系半導体領域、７…光閉じ込め層、９…光ガイド層、１１…発光層、１３…光ガイド層、１５…光閉じ込め層、１７…接触層、Ｓ１…主面、Ｓ３…界面、Ｓ５…基準平面、２１…ｐ電極、２３…ｎ電極、２５…ストライプ形状部分、Ｓ７…表面、１８，１９…絶縁膜
【図１】
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【図２】
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