(57)【要約】【課題】トンネル接合を有する窒化物半導体発光素子において、信頼性を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板と、基板上に、順次形成された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とｎ型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含む窒化物半導体発光素子である。【選択図】図１
2008130878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に、順次形成された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層および前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含むことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層および前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方におけるアルミニウムの含有量が１原子％以上５原子％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層はアルミニウムとインジウムとを含んでおり、インジウムの含有量がアルミニウムの含有量よりも多いことを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はアルミニウムとインジウムとを含んでおり、インジウムの含有量がアルミニウムの含有量よりも多いことを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層におけるｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層におけるｎ型不純物のドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、トンネル接合を有する窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ｐ型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型窒化物半導体層上に形成されるｐ側電極については以下の３つの条件を満たすことが求められている。
【０００３】
まず、第１番目の条件としては、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対して透過率が高いことである。次に、第２番目の条件として、注入される電流を発光層の面内に十分に拡散させることができる抵抗率および厚さを有していることである。最後に、第３番目の条件として、ｐ型窒化物半導体層との接触抵抗が低いことである。
【０００４】
ｐ型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型窒化物半導体層上に形成されるｐ側電極としては、従来、パラジウムやニッケル等の数〜１０ｎｍ程度の厚さの金属膜からなる半透明金属電極がｐ型窒化物半導体層の全面に形成されていた。しかしながら、このような半透明金属電極は、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対する透過率が５０％程度と低いために光取り出し効率が低下し、高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることは困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、パラジウムやニッケル等の金属膜からなる半透明金属電極に代えて、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明導電膜をｐ型窒化物半導体層の全面に形成することによって光取り出し効率を向上させた高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子が製造されている。このような透明導電膜が形成された窒化物半導体発光ダイオード素子においては懸念されていた透明導電膜とｐ型窒化物半導体層との接触抵抗も熱処理等によって改善されている。
【０００６】
また、特許文献１には、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造、および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造を少なくとも有するＩＩＩ族窒化物半導体積層構造が基板上に形成されており、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造中のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層には負電極が設けられ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造中のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層には正電極が設けられており、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造のｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とによりトンネル接合を形成した窒化物半導体発光ダイオード素子が開示されている。
【０００７】
特許文献１に開示されている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、正電極が第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造中のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に形成されており、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体はｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体に比べて容易にキャリア濃度を上げることが可能であることから、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧が低く、大出力での駆動が可能である。
【０００８】
また、窒化物半導体発光ダイオード素子の故障原因の一つとなっていた正電極における発熱も低減されるため、信頼性も向上することができると言われている。
【特許文献１】特開２００２−３１９７０３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、ＩＴＯからなる透明導電膜は、高温にすると光学的性質が不可逆的に変化し、可視光の透過率が低下するという問題があった。また、ＩＴＯからなる透明導電膜を用いた場合には、可視光の透過率が低下するのを防止するために、ＩＴＯからなる透明導電膜の形成後のプロセスの温度領域が制限されてしまうという問題があった。さらに、ＩＴＯからなる透明導電膜は大電流密度の駆動で劣化し、黒色化するという問題もあった。
【００１０】
また、特許文献１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、正電極との接触抵抗を低減することができる一方で、トンネル接合部における電圧ロスに起因する信頼性が問題となる。
【００１１】
たとえば、特許文献１の実施例１等においては、キャリア濃度が１×１０19／ｃｍ3のｐ型Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ｎ層とキャリア濃度が１×１０20／ｃｍ3のｎ型Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ｎ層とのトンネル接合を有する窒化物半導体発光ダイオード素子が開示されているが、このような構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を大電流密度で駆動させた場合には、高濃度でドーピングされた不純物およびＩｎＧａＮからなる窒化物半導体層の格子欠陥等に起因して劣化が起こり、信頼性不良の原因となっていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、信頼性を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、基板と、基板上に、順次形成された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とｎ型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含む窒化物半導体発光素子である。
【００１４】
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、基板と第１のｎ型窒化物半導体層との間、第１のｎ型窒化物半導体層と発光層との間、発光層とｐ型窒化物半導体トンネル接合層との間、およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層と第２のｎ型窒化物半導体層との間からなる群から選択された少なくとも１つの間に他の層が形成されていてもよい。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方におけるアルミニウムの含有量が１原子％以上５原子％以下であることが好ましい。
【００１６】
なお、本発明において、「原子％」は、Ａｌがｐ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれ、かつｎ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれない場合には、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対して含有されるＡｌの原子数の割合（％）を示し、Ａｌがｎ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれ、かつｐ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれない場合には、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対して含有されるＡｌの原子数の割合（％）を示す。また、Ａｌがｐ型窒化物半導体トンネル接合層およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層の双方に含まれる場合には、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対して含有されるＡｌの原子数の割合（％）およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対して含有されるＡｌの原子数の割合（％）の少なくとも一方を示している。なお、本明細書において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示す。
【００１７】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層はＡｌとＩｎ（インジウム）とを含んでおり、Ｉｎの含有量がＡｌの含有量よりも多いことが好ましい。
【００１８】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はＡｌとＩｎとを含んでおり、Ｉｎの含有量がＡｌの含有量よりも多いことが好ましい。
【００１９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層におけるｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層におけるｎ型不純物のドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
なお、本発明において、「ｐ型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるｐ型不純物の原子濃度を示し、「ｎ型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるｎ型不純物の原子濃度を示しており、それぞれたとえばＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）等の方法により定量的に算出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、信頼性を向上することができる窒化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】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２５】
図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１上に、順次積層された、第１のｎ型窒化物半導体層２と、発光層３と、ｐ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６と、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層７と、第２のｎ型窒化物半導体層８と、を有しており、第１のｎ型窒化物半導体層２上にｎ側電極１２が形成され、第２のｎ型窒化物半導体層８上にｐ側電極１３が形成された構成を有している。
【００２６】
このような構成の窒化物半導体発光素子においては、従来のｐ型窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧を低くすることができる一方で、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５とｎ型窒化物半導体トンネル接合層６との接合部であるトンネル接合部における電圧ロスをいかに小さくすることができるかということが問われる。
【００２７】
このトンネル接合部におけるトンネリング確率Ｔｔは、一般的に下記の式（１）で表わされる。
【００２８】
Ｔｔ＝ｅｘｐ（（−８π（２ｍe）1/2Ｅｇ3/2）／（３ｑｈε））  …（１）
なお、上記の式（１）において、Ｔｔはトンネリング確率を示し、ｍeは伝導電子の有効質量を示し、Ｅｇはエネルギギャップを示し、ｑは電子の電荷を示し、ｈはプランク定数を示し、εはトンネル接合部にかかる電界を示している。
【００２９】
窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減するためには、このトンネリング確率Ｔｔを大きくすることが望まれる。上記の式（１）から、トンネリング確率Ｔｔを大きくするための方法としては、トンネル接合部におけるエネルギギャップＥｇを小さくすることおよびトンネル接合部にかかる電界εを大きくすることが考えられる。
【００３０】
たとえば特許文献１に記載のｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層とのトンネル接合を有する構成の従来の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、トンネル接合部におけるエネルギギャップＥｇを小さくする方法としてｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層のそれぞれの層のＩｎの含有量を大きくする方法が挙げられる。また、トンネル接合部にかかる電界εを大きくする方法としてｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層のそれぞれのイオン化不純物濃度を大きくする方法が挙げられる。
【００３１】
しかしながら、この特許文献１に記載の従来の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Ｉｎを固相として含有させるためには９００℃以下の低温でｐ型ＩｎＧａＮ層およびｎ型ＩｎＧａＮ層をそれぞれ成長させる必要があることからこれらの層の結晶性が悪化すること、ｐ型ＩｎＧａＮ層およびｎ型ＩｎＧａＮ層はそれぞれ３元混晶であることから点欠陥および線欠陥等の格子欠陥が多く存在すること、ならびにイオン化不純物濃度を大きくするために不純物を高濃度にドーピングすること等に起因して、窒化物半導体発光ダイオード素子の信頼性が悪化していた。
【００３２】
そこで、本発明者が鋭意検討した結果、トンネル接合を構成するｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の少なくとも一方にＡｌを含ませることによって、低温でｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６を成長させた場合やイオン化不純物濃度を大きくするために不純物を高濃度にドーピングした場合でも信頼性が向上することを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００３３】
ここで、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６がＡｌを含有する場合には、駆動電圧の上昇を抑制する観点から、Ａｌの含有量を１原子％以上５原子％以下とすることが好ましく、たとえば、ＡｌxＩｎyＧａ1-(x+y)Ｎ（０．０１＜ｘ≦０．０５、０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙ）の組成式で表わされる４元混晶の窒化物半導体結晶にｐ型不純物および／またはｎ型不純物がドーピングされた材料をｐ型窒化物半導体トンネル接合層５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６として用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、ｘはＡｌの組成比を示し、ｙはＩｎの組成比を示し、１−（ｘ＋ｙ）はＧａの組成比を示す。
【００３４】
また、駆動電圧を低減するためには、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５のイオン化不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましいことから、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５におけるｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることが好ましい。なお、本発明において、ｐ型不純物としては、たとえばＭｇ（マグネシウム）および／またはＺｎ（亜鉛）等をドーピングすることができる。
【００３５】
また、駆動電圧を低減するためには、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６のイオン化不純物濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることが好ましいことから、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６におけるｎ型不純物のドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上であることが好ましい。なお、本発明において、ｎ型不純物としては、たとえばＳｉ（シリコン）および／またはＧｅ（ゲルマニウム）等をドーピングすることができる。
【００３６】
また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６はドナー準位が浅く、活性化率が高いため、イオン化不純物濃度をたとえば１×１０19／ｃｍ3以上と高くすることができ、トンネル接合部におけるｎ型窒化物半導体トンネル接合層６側への空乏層の広がりが小さいこと、ならびに発光層３から放射された光の吸収量を低減することを考慮すると、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６においては、ｎ型不純物とともにｐ型不純物をドーピングしてもよい。この場合には、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５からのｐ型不純物の拡散の抑止し、空乏層内に中間準位を形成する等の効果を期待することができるため、トンネリング確率の向上に寄与し得る。
【００３８】
また、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６にはそれぞれ逆の導電型の層および／またはアンドープ層を含んでいてもよく、逆の導電型の層およびアンドープ層の層厚はそれぞれトンネル接合部においてキャリアがトンネリングする厚さ（たとえば２ｎｍ以下）であることが好ましい。
【００３９】
基板１としては、たとえば、シリコン基板、炭化ケイ素基板、または酸化亜鉛基板等を用いることができる。
【００４０】
第１のｎ型窒化物半導体層２としては、たとえばｎ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができる。
【００４１】
発光層３としては、たとえば単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する窒化物半導体結晶を成長させることができ、なかでも、ＡｌaＩｎbＧａ1-(a+b)Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦１−（ａ＋ｂ）≦１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶を含む多重量子井戸構造を有するものを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、ａはＡｌの組成比を示し、ｂはＩｎの組成比を示し、１−（ａ＋ｂ）はＧａの組成比を示す。
【００４２】
ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえばｐ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでもＡｌを含むｐ型クラッド層上にｐ型ＧａＮ層を成長させたものを用いることができる。
【００４３】
ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層７を形成することにより、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６がＩｎを含む場合にこれらの層からＩｎが蒸発するのを抑制することができる。
【００４４】
ここで、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層７としては、たとえば、ＡｌcＩｎdＧａ1-(c+d)Ｎ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦１−（ｃ＋ｄ）≦１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドーピングした層を用いることができ、なかでもｎ型ＧａＮを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、ｃはＡｌの組成比を示し、ｄはＩｎの組成比を示し、１−（ｃ＋ｄ）はＧａの組成比を示す。また、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層７は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６と同程度の温度で成長させられることが好ましい。
【００４５】
第２のｎ型窒化物半導体層８を形成することにより、第２のｎ型窒化物半導体層８上に形成されたｐ側電極１３から注入された電流を拡散させることができる。
【００４６】
ここで、第２のｎ型窒化物半導体層８としては、たとえば、ｎ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでも抵抗率の低い層であることが好ましく、特に、キャリア濃度が１×１０18／ｃｍ3以上のＧａＮから構成されることが望ましい。
【００４７】
第１のｎ型窒化物半導体層２上に形成されるｎ側電極１２および第２のｎ型窒化物半導体層８上に形成されるｐ側電極１３としては、たとえば、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＡｌ（アルミニウム）からなる群から選択された少なくとも１種の金属を用いて、オーミック接触をとるように形成されることが好ましい。
【００４８】
ここで、ｎ側電極１２は、上記の第２のｎ型窒化物半導体層８の成長後のウエハを第２のｎ型窒化物半導体層８側からエッチングすることによって第１のｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させ、その露出面上に形成することができる。
【００４９】
また、別途用意した導電性の支持基板に上記の第２のｎ型窒化物半導体層８の成長後のウエハの第２のｎ型窒化物半導体層８側を貼り付けることによって、第１のｎ型窒化物半導体層２側が光取り出し側、第２のｎ型窒化物半導体層８側を支持基板側とし、支持基板側に反射率の高いＡｌ、ＰｔおよびＡｇからなる群から選択された少なくとも１種の金属を形成して、上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることもできる。
【００５０】
このような上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子によれば、第２のｎ型窒化物半導体層８は従来のｐ型窒化物半導体層よりもキャリア濃度を高くすることができることから、金属の仕事関数に関わらず、キャリアのトンネリングによるオーミック特性が得やすくなり、上述した反射率の高い金属を第２のｎ型窒化物半導体層８上に形成することができるため、光取り出し効率が向上する傾向にある。
【実施例】
【００５１】
（実施例１）
実施例１においては、図２の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮ下地層１０３、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４、発光層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７、ｐ型トンネル接合層１０８、ｎ型トンネル接合層１０９、ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１０およびｎ型ＧａＮ層１１１がこの順序で積層され、ｎ型ＧａＮ層１１１の表面上にパッド電極１１２が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にパッド電極１１３が形成された構成を有している。
【００５２】
まず、サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットした。そして、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板１０１の温度を１０５０℃まで上昇させて、サファイア基板１０１の表面（Ｃ面）のクリーニングを行なった。
【００５３】
次に、サファイア基板１０１の温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流して、サファイア基板１０１の表面（Ｃ面）上にＧａＮバッファ層１０２をＭＯＣＶＤ法により約２０ｎｍの厚さでサファイア基板１０１上に成長させた。
【００５４】
次いで、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Ｓｉがドーピングされたｎ型ＧａＮ下地層１０３（キャリア濃度：１×１０18／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法により６μｍの厚さでＧａＮバッファ層１０２上に成長させた。
【００５５】
続いて、キャリア濃度が５×１０18／ｃｍ3となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型ＧａＮ下地層１０３と同様にして、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４をＭＯＣＶＤ法により０．５μｍの厚さでｎ型ＧａＮ下地層１０３上に成長させた。
【００５６】
次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層と１８ｎｍの厚さのＧａＮ層とを交互に６周期ＭＯＣＶＤ法により成長させて、多重量子井戸構造を有する発光層１０５をｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に形成した。なお、発光層１０５の形成時において、ＧａＮ層を成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流していないことは言うまでもない。
【００５７】
次いで、サファイア基板１０１の温度を９５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６をＭＯＣＶＤ法により約３０ｎｍの厚さで発光層１０５上に成長させた。
【００５８】
次に、サファイア基板１０１の温度を９５０℃に保持したままで、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｐ型ＧａＮコンタクト層１０７をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６上に０．１μｍの厚さに成長させた。
【００５９】
その後、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＡｌxＩｎyＧａ1-(x+y)Ｎ（０≦ｘ≦０．０５、ｙ＝０．２５）からなるｐ型トンネル接合層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２０ｎｍの厚さに成長させた。
【００６０】
その後、サファイア基板１０１の温度を７００℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＡｌxＩｎyＧａ1-(x+y)Ｎ（０≦ｘ≦０．０５、ｙ＝０．２５）からなるｎ型トンネル接合層１０９（キャリア濃度：５×１０19／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０８上に４ｎｍの厚さに成長させた。なお、ｎ型トンネル接合層１０９におけるＡｌの含有量はｐ型トンネル接合層１０８と同一とした。
【００６１】
なお、ｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９にＡｌを含有させない場合（すなわち、ｘ＝０の場合）にはＴＭＡを流さなかったことは言うまでもない。
【００６２】
その後、サファイア基板１０１の温度を７００℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１０（キャリア濃度：５×１０19／ｃｍ3）をｎ型トンネル接合層１０９上に１５ｎｍの厚さに成長させた。
【００６３】
その後、サファイア基板１０１の温度を９５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Ｓｉが１×１０19／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ層１１１をＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１０上に０．２μｍの厚さに成長させた。
【００６４】
次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なった。
【００６５】
そして、上記のアニーリング後のウエハを反応炉から取り出し、そのウエハの最上層のｎ型ＧａＮ層１１１の表面上に所定の形状にパターンニングされたマスクを形成した。そして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、上記のウエハの一部についてｎ型ＧａＮ層１１１側からエッチングを行ない、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面の一部を露出させた。
【００６６】
そして、ｎ型ＧａＮ層１１１の表面上にパッド電極１１２を形成し、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にパッド電極１１３を形成した。ここで、パッド電極１１２およびパッド電極１１３は、ｎ型ＧａＮ層１１１の表面上およびｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にそれぞれＴｉ層とＡｌ層を順次積層することによって同時に形成された。その後、ウエハを複数のチップに分割することによって、図２の模式的断面図に示す構成を有する実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
【００６７】
図３に、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量と、ブレークダウン電流密度と、の関係を示す。なお、ブレークダウン電流密度とは、トンネル接合部が破壊されて発光が停止したときの注入電流の密度のことである。また、図３において、縦軸はブレークダウン電流密度（Ａ／ｃｍ2）を示し、横軸はｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量（原子％）を示している。
【００６８】
図３に示すように、ｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量が１原子％以上５原子％以下の範囲内にある場合には、Ａｌ含有量が１原子％以上５原子％以下の範囲外にある場合と比べてブレークダウン電流密度が飛躍的に大きくなることがわかる。
【００６９】
図４に、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量と、駆動電圧と、の関係を示す。なお、図４において、縦軸は２０ｍＡの電流注入時の駆動電圧（Ｖ）を示し、横軸はｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量（原子％）を示している。
【００７０】
図４に示すように、ｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量が５原子％を超えた時点から急激に駆動電圧が上昇していることから、ｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量は５原子％以下が好ましいことがわかる。
【００７１】
したがって、以上の結果から、ｐ型トンネル接合層１０８およびｎ型トンネル接合層１０９のＡｌ含有量は１原子％以上５原子％以下であることが好ましい。
【００７２】
（実施例２）
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を成長させるところまでは実施例１と同一の条件および同一の方法で作製した。
【００７３】
そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の成長後、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＡｌ0.02Ｉｎ0.25Ｇａ0.73Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２０ｎｍの厚さに成長させた。
【００７４】
その後、サファイア基板１０１の温度を７００℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｎ型ＩｎＧａＮトンネル接合層１０９（キャリア濃度：５×１０19／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０８上に４ｎｍの厚さに成長させた。
【００７５】
その後は、実施例１と同一の条件および同一の方法で、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
【００７６】
実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子のブレークダウン電流密度を評価したところ、後述する比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもブレークダウン電流密度が高く、信頼性が高いことが判明した。
【００７７】
（実施例３）
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を成長させるところまでは実施例１と同一の条件および同一の方法で作製した。
【００７８】
そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の成長後、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２０ｎｍの厚さに成長させた。
【００７９】
その後、サファイア基板１０１の温度を７００℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＡｌ0.02Ｉｎ0.25Ｇａ0.73Ｎからなるｎ型ＩｎＧａＮトンネル接合層１０９（キャリア濃度：５×１０19／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０８上に４ｎｍの厚さに成長させた。
【００８０】
その後は、実施例１と同一の条件および同一の方法で、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
【００８１】
実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子のブレークダウン電流密度を評価したところ、後述する比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもブレークダウン電流密度が高く、信頼性が高かった。
【００８２】
（比較例１）
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を成長させるところまでは実施例１と同一の条件および同一の方法で作製した。
【００８３】
そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の成長後、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０20／ｃｍ3の濃度でドーピングされたＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２０ｎｍの厚さに成長させた。
【００８４】
その後、サファイア基板１０１の温度を７００℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｎ型ＩｎＧａＮトンネル接合層１０９（キャリア濃度：５×１０19／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０８上に４ｎｍの厚さに成長させた。
【００８５】
その後は、実施例１と同一の条件および同一の方法で、比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
【００８６】
比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のブレークダウン電流密度は、上述したように、実施例２および実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもブレークダウン電流密度が低く、信頼性が低かった。
【００８７】
今回開示された実施の形態および実施例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は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でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明によれば、トンネル接合を有し、青色光（たとえば、波長４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下）を発光する窒化物半導体発光ダイオード素子等の窒化物半導体発光素子の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図である。
【図２】実施例１〜３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図３】実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層およびｎ型トンネル接合層のＡｌ含有量とブレークダウン電流密度との関係を示す図である。
【図４】実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層およびｎ型トンネル接合層のＡｌ含有量と駆動電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  基板、２  第１のｎ型窒化物半導体層、３  発光層、４  ｐ型窒化物半導体層、５  ｐ型窒化物半導体トンネル接合層、６  ｎ型窒化物半導体トンネル接合層、７  ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層、８  第２のｎ型窒化物半導体層、１２  ｎ側電極、１３  ｐ側電極、１０１  サファイア基板、１０２  ＧａＮバッファ層、１０３  ｎ型ＧａＮ下地層、１０４  ｎ型ＧａＮコンタクト層、１０５  発光層、１０６  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０７  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０８  ｐ型トンネル接合層、１０９  ｎ型トンネル接合層、１１０  ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層、１１１  ｎ型ＧａＮ層、１１２，１１３  パッド電極。
【図１】
2008130878.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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