(57)【要約】【課題】半導体発光素子の電気的特性を向上させる。【解決手段】サファイア基板１の上にＧａＮよりなる低温バッファ層１０、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、ＳｉドープのＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３、ＳｉドープのＧａＮよりなる第２のｎ型層４、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成される。ｐ型層７の上にはｐ型電極８が形成され、ｐ型層７から第２のｎ型層４までの多層構造の一部が除去されて露出された第２のｎ型層４の表面にｎ型電極９が形成された構成となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成されたIII族窒化物半導体の複数層からなる第１導電型の構造と、前記第１導電型の構造の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる活性層と、前記活性層の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる第２導電型のクラッド層とを有し、前記第１導電型の構造はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板は、サファイアよりな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】
上面と下面とを有する段差を備え、前記上面は前記第２導電型のクラッド層上に設けられ、前記下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、前記中間層は前記下面より前記活性側に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上面と下面とを有する段差を備え、前記上面は前記第２導電型のクラッド層上に設けられ、前記下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、前記中間層は前記下面より前記基板側に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記中間層は前記基板のすぐ上に設けられたことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記基板は六方晶よりなり、前記基板の主面は（０００１）面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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光デバイス、電子デバイスに利用される窒化ガリウム系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般式がＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体は、可視から紫外に亘る波長帯で動作する発光デバイスや高出力及び高温で動作する電子デバイス用の半導体材料として多用されている（以下、Ｇａ1-yＩｎyＮやＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ等、３元混晶や４元混晶について適宜ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等と表記する）。
【０００３】
図５に従来の半導体発光素子を示す。図５において、サファイア基板１００の上に、ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＧａＩｎＮよりなる中間層１０３、ｎ型ＧａＮ層１０４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、ＧａＩｎＮ活性層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が順次積層されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の表面上にはｐ側電極１０９が形成されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の表面側から、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ＧａＩｎＮ活性層１０６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、ｎ型ＧａＮ層１０４、ＧａＩｎＮ中間層１０３、およびｎ型ＧａＮ層１０２の一部をエッチングにより除去して露出したｎ型ＧａＮ層１０２の表面上に、ｎ側電極１１０が形成されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−７０１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の半導体発光素子については、ＧａＩｎＮよりなる中間層１０３はその下に形成されているｎ型ＧａＮ層１０２との格子整合を取ることができないので、中間層１０３およびその上に形成される半導体層の欠陥が多くなり、そのため特にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７やｐ型ＧａＮコンタクト層１０８のドーパント活性化率が低下して電気抵抗が大きくなり、半導体発光素子の動作電圧が高くなっていた。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明は半導体発光素子の動作電圧を低減するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の半導体発光素子は、基板と、基板上に形成されたIII族窒化物半導体の複数層からなる第１導電型の構造と、第１導電型の構造の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる活性層と、活性層の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる第２導電型のクラッド層とを有し、第１導電型の構造はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層を有するものである。
【０００７】
この構成により、第１導電型の構造内において他の層に対するＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層の格子不整合が小さくなるので中間層の結晶性が向上する。そのため、その上に形成される第２導電型のクラッド層におけるキャリアの活性化率が向上し、半導体発光素子の電気抵抗が低減する。
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、さらに基板はサファイアよりなることが好ましい。
【０００９】
本発明の半導体発光素子は、さらに上面と下面とを有する段差を備え、上面は第２導電型のクラッド層上に設けられ、下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、中間層は下面より活性側に設けられたことが好ましい。
【００１０】
本発明の半導体発光素子は、さらに上面と下面とを有する段差を備え、上面は第２導電型のクラッド層上に設けられ、下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、中間層は下面より基板側に設けられたことが好ましい。
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、中間層が下面より基板側に設けられる場合において、当該半導体層が基板のすぐ上に設けられたことが好ましい。
【００１２】
本発明の半導体発光素子は、さらに六方晶基板の主面として（０００１）面であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体発光素子によれば、第１導電型の構造内における半導体層の格子不整合が小さくなり、半導体層の結晶性が向上する。それにより半導体発光素子の電気的特性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００１５】
本発明に係る半導体発光素子は、図１の断面図に示すように、サファイア基板１の上にＧａＮよりなる低温バッファ層１０、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、ＳｉドープのＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３、ＳｉドープのＧａＮよりなる第２のｎ型層４、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７から第２のｎ型層４までの多層構造の一部が除去されて露出された第２のｎ型層４の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。この半導体発光素子に係る各半導体層の組成等の具体的な構成について、以下の表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
なお、ｐ側電極８は厚さ１μｍのＡｕベースの反射電極よりなり、ｎ側電極９は厚さ１μｍのＡｕベースのコンタクト電極よりなる。また、ｎ側電極９直下における第２のｎ型層４の層厚は５００ｎｍである。また、サファイア基板１として、直径２インチ（５．０８ｃｍ）、厚さ４００μｍの、主面の面方位が（０００１）であるものを用いる。半導体発光素子は当該直径２インチの基板を分割して得られる。半導体発光素子１個の基板面内サイズは、３００μｍ×３００μｍである。また、半導体発光素子の主発光波長は、４５５ｎｍである。なお、この半導体発光素子は、いわゆる発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ、以下ＬＥＤという）である。
【００１８】
この図１および表１に示す半導体発光素子について、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮよりなる中間層３の組成や層厚を変化させたときに、半導体発光素子の特性がどう変化するかについて検討した。その検討結果について以下に説明する。
【００１９】
まず、中間層３の層厚を１５０ｎｍとしたときの、Ａｌ組成ｘと発光素子の動作電圧との関係を図２に示す。なお、ここで中間層３のＩｎ組成は０．０２である。また、ここで動作電圧とは、半導体発光素子に２０ｍＡの電流を流したときに半導体発光素子に与えられる電圧のことをいう。この図２より、Ａｌ組成が０すなわちＧａ0.98Ｉｎ0.02Ｎよりなる従来の中間層の場合と比較して、中間層３にＡｌ組成が０．００１以上含む場合のほうが動作電圧が低減することがわかった。またＡｌ組成ｘが増加すれば動作電圧が低減することがわかった。
【００２０】
この図２に示す結果については、以下のように説明することができる。
【００２１】
すなわち、ＡｌとＩｎとを含む中間層すなわちＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３を用いることにより、従来の半導体発光素子に係るＡｌが添加されていないＧａＩｎＮの中間層と比較してＧａＮよりなるｎ型層２との格子不整合が小さくなり、中間層３の結晶性が向上する。中間層３の結晶性が向上したならば、その上に形成される第２のｎ型層４、クラッド層５、活性層６およびｐ型層７の結晶性が向上する。ｐ型層７の結晶性が向上することによってキャリアのトラップとなる結晶欠陥が低減し、その結果ドーパントであるＭｇの活性化率が向上してｐ型層７のキャリア密度が増大し、ｐ型層７の抵抗率が低下したことが考えられる。また、ｐ型層７のキャリア密度が増大することでｐ型層７とｐ側電極８との間のコンタクト抵抗が低減したことが考えられる。
【００２２】
以下、本発明の半導体発光素子に係る変形例について説明する。なお、以下の変形例はいずれもサファイア基板１として直径２インチ（５．０８ｃｍ）、厚さ４００μｍのものを用いたものであり、半導体発光素子は当該直径２インチの基板を分割して得られたものである。また、半導体発光素子は当該直径２インチの基板を分割して得られる。半導体発光素子１個の基板面内サイズは、３００μｍ×３００μｍである。また、半導体発光素子の主発光波長は、４６０ｎｍである。なお、これらの変形例に係る半導体発光素子は、いずれもＬＥＤである。
【００２３】
（第１の変形例）
本発明の半導体発光素子に係る第１変形例は、図３の断面図に示すように、サファイア基板１の上にＧａＮよりなる低温バッファ層１０、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、ＳｉドープのＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７からｎ型層２までの多層構造の一部が除去されて露出されたｎ型層２の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。この半導体発光素子に係る各半導体層の組成等の具体的な構成について、以下の表２に示す。なお、ｎ側電極９直下のｎ型層２の層厚は５００ｎｍである。また、サファイア基板１の主面の面方位は（０００１）である。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
この第１の変形例に係る半導体発光素子については、図１に示す本発明の半導体発光素子と同様、ＡｌとＩｎとを含む中間層すなわちＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３を用いることにより、従来の半導体発光素子と比較してＧａＮよりなるｎ型層２との格子不整合が小さくなり、中間層３の結晶性が向上する。その結果ｐ型層７のキャリア密度が増大して半導体発光素子の特性の向上が期待できる。
【００２６】
（第２の変形例）
本発明の第２の変形例に係る半導体発光素子は、図４の断面図に示すように、サファイア基板１の上にＳｉドープのＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７からｎ型層２までの多層構造の一部が除去されて露出されたｎ型層２の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。この半導体発光素子に係る各半導体層の組成等の具体的な構成について、以下の表３に示す。なお、ｎ側電極９直下のｎ型層２の層厚は５００ｎｍである。また、サファイア基板１の主面の面方位は（０００１）である。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
この第２の変形例に係る半導体発光素子については、図１に示す本発明の半導体発光素子と同様、ＡｌとＩｎとを含む中間層すなわちＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０．００１≦ｘ＜０．１、０＜ｙ＜１）よりなる中間層３を用いることにより、従来の半導体発光素子と比較してＧａＮよりなるｎ型層２との格子不整合が小さくなり、中間層３の結晶性が向上する。その結果ｐ型層７のキャリア密度が増大して半導体発光素子の特性の向上が期待できる。
【００２９】
なお、上記実施の形態において、基板１としてサファイア基板を用いて説明したが、サファイア基板の代わりにＳｉＣ、ＧａＮ、ＭｇＡｌＯ2等III族窒化物半導体が形成しうる基板を用いても同様な効果が得られる。
【００３０】
また、上記実施の形態においてはＬＥＤについて説明したが、ＬＥＤ以外にIII族窒化物半導体の半導体レーザ素子についても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、半導体発光素子を構成するクラッド構造結晶性を向上させることができるものであり、それにより半導体発光素子の光学的および電気的特性を向上させることができるとともにその安定化を図ることができ、半導体発光素子のさらなる高性能化、低消費電流化に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の半導体発光素子の構造断面図
【図２】本発明の半導体発光素子について、中間層のＡｌ組成と半導体発光素子の動作電圧との関係を示す図
【図３】本発明の第１の変形例に係る半導体発光素子の構造断面図
【図４】本発明の第２の変形例に係る半導体発光素子の構造断面図
【図５】従来の半導体発光素子の構造断面図
【符号の説明】
【００３３】
１  サファイア基板
２  ｎ型層
３  中間層
４  第２のｎ型層
５  クラッド層
６  活性層
７  ｐ型層
８  ｐ側電極
９  ｎ側電極
１０  低温バッファ層
【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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