(57)【要約】【課題】  ＳｉＣ基板を用いることにより、基板の裏面に一方の電極を形成し、垂直型の発光素子としながら、基板側に進む光も有効に利用することにより、外部量子効率を向上させることができる構造の窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】  ＳｉＣ基板１上に、少なくとも発光部が形成される活性層５を含む窒化物半導体積層部９が設けられ、ＳｉＣ基板１の裏面および半導体積層部９の表面側に、一対の上部電極１１および下部電極１２がそれぞれ設けられている。そして、この活性層５が、発光波長をλ、半導体層の屈折率をｎ（高屈折率層の屈折率がｎ1、低屈折率層の屈折率がｎ2）として、高屈折率層５１と低屈折率層５２とがそれぞれλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層される構造になっている。【選択図】        図１
2007150075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板と、該ＳｉＣ基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部と、前記ＳｉＣ基板の裏面および前記半導体積層部の表面側にそれぞれ設けられる一対の電極とを有し、前記活性層が、発光波長をλ、半導体層の屈折率をｎとして、高屈折率層と低屈折率層とがそれぞれλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層される構造を有する窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層の少なくとも高屈折率層の一部が、高屈折率の薄層と低屈折率の薄層との積層構造により、前記λ／（４ｎ）の厚さに形成されてなる請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＳｉＣ基板表面に窒化物半導体により形成されるバッファ層が設けられ、該バッファ層と前記活性層との間に、低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられてなる請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＳｉＣ基板と前記活性層との間で、前記ＳｉＣ基板と接して低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられてなる請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層と前記ＳｉＣ基板との間で、前記活性層と接して低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられてなる請求項１ないし４のいずれか１項記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記光反射層を構成する積層構造の少なくとも一部の層が超格子構造により形成されてなる請求項３、４または５記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記光反射層の低屈折率層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）を有する層からなり、前記高屈折率層がＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）またはＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を有する層からなる請求項３、４または５記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層の発光部側における平均的屈折率より非発光部側における平均的屈折率を小さくするように前記活性層が形成されてなる請求項１ないし７のいずれか１項記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層を該活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ形層およびｐ形層により挟持したダブルヘテロ接合構造である請求項１ないし４のいずれか１項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、窒化物半導体を用いた発光素子に関する。さらに詳しくは、基板にＳｉＣからなる半導体基板を用い、基板の裏面に一方の電極を設けながら、活性層で発光する光を有効に取り出すことができ、外部量子効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の窒化物半導体を用いた発光素子は、たとえばサファイア基板上に、バッファ層および発光層形成部を含む窒化物半導体積層部を成長し、その半導体積層部の一部をエッチングして半導体積層部の下層側の導電形層を露出させ、その露出させた下層側導電形層表面に下部電極を、半導体積層部の上面側に上部電極をそれぞれ設けることにより形成されている。このようなサファイアが基板として用いられると、サファイア基板は絶縁体であるため、半導体積層部の下層側の導電形層と接続する電極を基板の裏面に形成することができず、上述のように半導体積層部の一部をエッチングにより除去して下層の導電形層を露出させなければならない。そのため非常に製造工程が複雑になると共に、エッチングによるコンタミネーションが発光面や電極形成面などに付着して、発光出力の低下や電極接続部の電気抵抗の増大など電気的特性への問題も生じている。
【０００３】
このような問題を解決するため、基板としてＳｉＣからなる半導体基板を用い、その上に窒化物半導体を用いて、バッファ層を介してダブルヘテロ接合の発光層形成部を成長する構造の半導体発光素子も考えられている。すなわち、図７に示されるように、ＳｉＣ基板１０１上にバッファ層１０２が設けられ、その上に活性層１０４を下層半導体層１０３と上層半導体層１０５とでサンドイッチ構造にしたダブルヘテロ接合からなる発光層形成部１０６を積層し、その表面に上部電極１０７を、ＳｉＣ基板１０１の裏面に下部電極１０８を形成することにより、発光層形成部１０６などの半導体積層部の一部をエッチングすることなく、半導体積層部の下層導電形層に接続する下部電極１０８を半導体基板１０１裏面に形成するものである（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許明細書第５５２３５８９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、ＳｉＣを基板として用いることにより、半導体積層部をエッチングしなくても基板の裏面に一方の電極を形成することができて好ましい。しかしながら、発光部で発光する光は、四方に均等に放射され、光を取り出す半導体積層部の上面側と同程度の強さの光がＳｉＣ基板側にも進むが、ＳｉＣは窒化物半導体で発光する光を吸収する。そのため、たとえばサファイア基板であれば基板側に進む光でも基板の側面から出る光や、基板の裏面側で反射する光を利用することができるが、ＳｉＣ基板を用いると、基板側に進む光を殆ど利用することができず、理論上発光する光の半分は無駄になるという問題がある。
【０００５】
一方、活性層はバルク層や量子井戸構造で形成されるが、量子井戸構造で活性層を形成してもすべての井戸層では発光しないで、ｐ形層に近い一部の井戸層のみで発光し、他の量子井戸構造部分では発光していないことが知られている。この場合、どこまで発光するかは製造上の問題とも絡む上、活性層の厚さそのものを薄くすると発光特性が低下するため、活性層としてはある程度の厚さを必要とする。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、ＳｉＣ基板を用いることにより、基板の裏面に一方の電極を形成し、垂直型の発光素子としながら、基板側に進む光も有効に利用することにより、外部量子効率を向上させることができる構造の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、格子整合を完全に採ることができない窒化物半導体層を、超格子構造を挟むことにより、できるだけ格子歪みの少ない半導体層として成長し、活性層で発光する光を効果的に表面側に出射し得る構造の窒化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】
【０００８】
本発明による窒化物半導体発光素子は、ＳｉＣ基板と、該ＳｉＣ基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部と、前記ＳｉＣ基板の裏面および前記半導体積層部の表面側にそれぞれ設けられる一対の電極とを有し、前記活性層が、発光波長をλ、半導体層の屈折率をｎとして、高屈折率層と低屈折率層とがそれぞれλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層される構造を有している。
【０００９】
ここに窒化物半導体とは、III族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII族元素と置換したもの、および／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した窒化物を意味する。また、低屈折率と高屈折率とは、両層間の相対的な屈折率の関係を意味し、屈折率の絶対値を問わない。さらに、超格子などの多層構造で層が形成されている場合の屈折率は、その平均的な屈折率を意味する。
【００１０】
前記活性層の少なくとも高屈折率層の一部が、高屈折率の薄層（ウェル層）と低屈折率の薄層（バリア層）との積層構造により、前記λ／（４ｎ）の厚さに形成されることにより、一部のλ／（４ｎ）層を量子井戸構造にすることもできる。
【００１１】
前記ＳｉＣ基板表面に窒化物半導体により形成されるバッファ層が設けられ、該バッファ層と前記活性層との間に、低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられることにより、反射層の組成を自由に選定しながら、ＳｉＣ基板との格子不整合などをバッファ層により緩和することができる。
【００１２】
前記ＳｉＣ基板と前記活性層との間で、前記ＳｉＣ基板と接して低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられることにより、光反射層は薄い層の積層構造であるためキャリア濃度を上げやすく、その低屈折率層としてＡｌの混晶比率の多いＡｌＧａＮ系化合物（ＡｌとＧａとの混晶比率が一義的でなく、種々取り得る化合物であることを意味する、以下の「系」も同じ意味で使用する）を用いることができ、バッファ層を設けるよりもむしろＳｉＣ基板と窒化物半導体層との整合性をよくすることができる。
【００１３】
前記活性層と前記ＳｉＣ基板との間で、前記活性層と接して低屈折率層と高屈折率層との積層構造による光反射層が設けられることにより、活性層の積層構造によっても反射しきれない光を、発光部と非常に近い所で反射させることができ、無駄なく発光した光を表面側に出射させることができる。この場合、光反射層として平均的組成がＡｌＧａＮ系化合物のようにバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることにより、従来のクラッド層のように、キャリアの閉込め機能を充分に発揮する。
【００１４】
前記光反射層を構成する積層構造の少なくとも一部の層が超格子構造により形成されてもよい。また、前記光反射層の低屈折率層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）を有する層からなり、前記高屈折率層がＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ）またはＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を有する層からなる構成でもよい。
【００１５】
さらに、前記活性層の発光部側における平均的屈折率より非発光部側における平均的屈折率を小さくするように前記活性層が形成されることにより、活性層の発光に寄与しない領域でバンドギャップを大きくすることができ、キャリア閉込め効果を発揮する。ここに平均的屈折率とは、低屈折率層と高屈折率層の積層構造の全体として作用するときの屈折率を意味する。
【００１６】
前記活性層を該活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ形層およびｐ形層により挟持したダブルヘテロ接合構造で形成されることにより、光反射層の位置や組成に限定されることなくキャリアを充分に閉じ込めることができ、発光効率の優れた窒化物半導体発光素子が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、活性層が屈折率の異なる層をλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層する構造で形成されているため、積層構造の一部で発光して他の部分で発光しなくても、その発行しない積層構造部は反射層として寄与する。すなわち、窒化物半導体では、正孔のライフタイムが短いため、ｐ形層から注入された正孔は、活性層全てに到達せずｐ形層に近い活性層部分で電子と再結合し、発光する。したがって、基板に近い側では発光しない領域が形成される。この発光しない領域が前述の積層構造になっているため分布型ブラッグ反射層となり、発光部で発光した光はその発光部のすぐ基板側で反射される構造になる。そのため、発光する光を無駄なく表面側に出射させることができる。この活性層のうち、発光部となる部分（正孔の到達している部分）の高屈折率層のλ／（４ｎ）の部分をさらに高屈折率層と低屈折率層との多層構造にすることにより、ウェルとバリアの量子井戸構造にすることもでき、多重量子井戸構造の高効率の発光部とすることができる。
【００１８】
なお、活性層を前述の多層構造にする場合、活性層は発光部を形成するため、窒化物半導体の組成は所望の発光波長により制限を受け、自由に設定することはできないこと、さらに、活性層はキャリアが閉じ込められる層であるためその厚さに制限があり、積層構造のペアの数も制限されること、などの理由により、反射率を充分に上げることができない。しかし、たとえばＩｎ0.1Ｇａ0.9ＮとＧａＮとがそれぞれλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層されているため従来よりは遙かに反射率を上げることができ、発光して基板側に向かう光の半分以上を表面側に向けることができる。その結果、基板による吸収を抑制して、非常に外部量子効率を向上させることができ、発光効率の優れた窒化物半導体発光素子となる。
【００１９】
また、前述のように、活性層の多層構造では充分に高い反射率にすることができない場合もあり、その場合には、発光した光の一部は基板側に進んで、ＳｉＣからなる基板により、活性層で発光する光が吸収されて無駄になる。しかし、活性層と基板との間に光反射層が形成されることにより、一部の漏れた光も完全に表面側に反射させ、有効に利用することができる。この光反射層は、活性層と基板との間のどこに設けられても、その間に発光する光を吸収する層が設けられない限り光の損失はなく、どこに設けられてもよいため、電子バリア層（クラッド層）の機能と兼ねる場合には活性層と接して設けられ、ＳｉＣ基板と窒化物半導体層との緩和層を兼ねる場合にはＳｉＣ基板と接するように設けられることにより、これらの機能を果たしながら、活性層で反射しきれない光も光反射層で反射して表面側から効率よく出射することができる。その結果、ＳｉＣ基板を用いて基板裏面に一方の電極を形成しながら、基板に発光した光を吸収されることなく、外部量子効率の優れた窒化物半導体発光素子が得られる。
【００２０】
さらに、光反射層の少なくとも一部を超格子構造で形成することにより、低屈折率層と高屈折率層との格子不整合や熱膨張係数の相違に基づく歪みを防止することができ、結晶性のよい窒化物半導体層を得ることができる。さらに、活性層の発光部側における低屈折率層の屈折率より非発光部側における低屈折率層の屈折率を小さくすることにより、発光領域のみにキャリアを閉じ込めることができ、より一層発光効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
つぎに、本発明による窒化物半導体発光素子について、図面を参照しながら説明をする。本発明による窒化物半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図および主要半導体層のバンド図が図１に示されるように、ＳｉＣ基板１上に、少なくとも発光部が形成される活性層５を含む窒化物半導体積層部９が設けられ、ＳｉＣ基板１の裏面および半導体積層部９の表面側に、一対の上部電極１１および下部電極１２がそれぞれ設けられている。そして、この活性層５が、発光波長をλ、半導体層の屈折率をｎ（高屈折率層５１の屈折率がｎ1、低屈折率層５２の屈折率がｎ2）として、高屈折率層５１と低屈折率層５２とがそれぞれλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層される構造になっている。
【００２２】
図１に示される例では、活性層５が、活性層５よりバンドギャップの大きいｎ形ＧａＮ層４とｐ形ＧａＮ層６とで挟持されたダブルヘテロ接合の発光層形成部７とされた構造で、さらにＳｉＣ基板１上にバッファ層２、バッファ層２と発光層形成部７との間に光反射層（ｎ形ＤＢＲ層）３、発光層形成部７上にＧａＮからなるｐ形コンタクト層８が設けられることにより半導体積層部９が形成されている。しかし、このような構造に限定されるものではなく、後述する例のように、バッファ層２やｎ形層４などはなくてもよく、少なくとも発光部を形成するような活性層５を有すればよい。
【００２３】
活性層５は、図１（ｂ）にバンド図で層構造が示されているように、たとえばＩｎrＧａ1-rＮ（０＜ｒ≦１、たとえばｒ＝０.１）からなる高屈折率層５１がその屈折率をｎ1、発光する光の波長をλとして、λ／（４ｎ1）の厚さで形成され、その上に、たとえばＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ≦０.５、ｓ＜ｒ、たとえばｓ＝０）からなる低誘電率屈折率層５２がその屈折率をｎ2としてλ／（４ｎ2）の厚さで形成され、この高誘電率層５１と低誘電率層５２とが交互に１〜１０組程度積層されて、全体で０.０８〜０.８μｍ程度の厚さに形成されている。この活性層５のうち、実際に発光する部分は、ｐ形層６側の数層の高屈折率層で、それよりｎ形層４側の活性層５では発光していないことが実験で確認されている。この発光する高屈折率層５１の組成は、発光させる光の波長に応じて定まり、たとえば４５０ｎｍの波長の光を発光させる場合に前述の組成が用いられるが、他の波長の光を発光させる場合には、この組成は変る。本発明では、この発光しない部分も屈折率の異なる層がλ／（４ｎ）の厚さで積層されているため、分布型ブラッグ反射層（distributed Bragg reflector）となり、発光して基板側に進もうとした光をｐ形層６側に反射する。なお、活性層はノンドープまたはｎ形もしくはｐ形で形成されてもよいが、発光部（ｐｎ接合）が上面側になるように形成されることが望ましい。
【００２４】
この高屈折率層５１および低屈折率層５２は、それぞれλ／（４ｎ）の厚さで形成されているため、たとえば前述の組成で、波長が４５０ｎｍの青色光を発光させる場合、高屈折率層５１の厚さは４６ｎｍとなり、バルク構造と量子井戸構造との中間の層構造になる。そのため、両者の特性を備えた発光をするが、高屈折率層５２を量子井戸構造で形成することもできる。その例が、バンド図で図２に示されている。すなわち、図２に示される例は、発光部を構成する部分のみを多重量子井戸構造（ＭＱＷ）にし、それよりｎ形層４側は図１に示される構造と同じ構造にした例で、多重量子井戸構造でない高屈折率層５１および低屈折率層５２は図１に示される例と同じ組成で、同様に形成されている。多重量子井戸構造の部分は、たとえばＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるウェル層５１１が３ｎｍと、ＧａＮからなるバリア層５１２が６ｎｍの周期で、５組程度形成されている。この全体がλ／（４ｎ）の厚さになっている。
【００２５】
前述の例では、発光部と非発光部との組成をほぼ同じ組成で形成したが、非発光部では発光波長の制約を受けないため、たとえば図６に示されるように、非発光部でのバンドギャップを大きくすることができる。すなわち、図６において、（ａ）は活性層部分の図１（ｂ）に対応した図で、（ｂ）が図２に対応した図を示している。なお、各図においては、層構造を示すことを目的としており、層数はいずれの図においても概念的に示されているだけで正確な層数ではなく、図１、図２および図６で層数の相違は意味がない。このように、非発光部での屈折率を発光部での屈折率より小さくすることにより、非発光部でのバンドギャップを大きくすることができ、キャリアの閉込め効果を発揮し、発光部のみにキャリアを閉じ込めることができる。
【００２６】
したがって、この非発光部を厚くして、高屈折率層５１と低屈折率層５２との屈折率差を大きくし、またはその組数を多くして、充分に反射率を高くすれば、発光部で発光した光を直ちに活性層で完全に表面側に反射させることができると共に、この非発光部のバンドギャップを大きくすることにより、キャリア閉込め効果を有し、従来のクラッド層も不要となる。
【００２７】
基板としては単結晶のＳｉＣ基板１が用いられ、図１に示される例ではｎ形に形成されている。そのＳｉＣ基板１上に、たとえばＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるバッファ層２が形成されている。このバッファ層２は、ＳｉＣと窒化物半導体層との格子不整合を緩和して、結晶性のよい窒化物半導体層を成長するためのもので、ＳｉＣと格子定数の近いものが好ましい。その点からは、ＡｌＮが最もＳｉＣと格子定数が近いが、ＡｌＮは絶縁物で、基板の裏面に一方の電極を設けるためには、導電性の大きいものにする必要がある。そこでＡｌＧａＮ系化合物が用いられるが、Ａｌの混晶比率を大きくすると格子定数はＳｉＣ基板１に近づいて好ましいが、Ａｌの混晶比率を上げるほどキャリア濃度を上げることができず、キャリア濃度と格子定数との両方から上述の組成でバッファ層２が設けられている。
【００２８】
図１に示される例では、バッファ層２上に光反射層（ＤＢＲ層）３が形成されている。光反射層３は、基板１と同じ導電形で、たとえばｎ形のＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１、たとえばｘ＝０.３）からなるＤＢＲ低屈折率層（活性層の低屈折率層と区別するためＤＢＲを付している）３１とｎ形のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ、たとえばｙ＝０）またはＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなるＤＢＲ高屈折率層３２とが、それぞれλ／（４ｎ3）、λ／（４ｎ4）（ｎ3、ｎ4はＤＢＲ低屈折率層およびＤＢＲ高屈折率層のそれぞれの屈折率）の厚さで交互に積層され、１０〜５０組程度積層されて形成されている。このように、屈折率の異なる２つの層を交互に積層することにより、分布型ブラッグ反射層（ＤＢＲ）が形成され、とくに各層がλ／（４ｎ）の厚さに形成されることにより、最もよく反射する。
【００２９】
この光反射層２は、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１、たとえばｘ＝０.３）からなるＤＢＲ低屈折率層３１とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１、ｙ＜ｘ、たとえばｙ＝０）からなるＤＢＲ高屈折率層３２との積層構造により形成されることにより、共に７００〜１２００℃程度の高温で成長することができ、高温で結晶性のよい窒化物半導体層を積層することができると共に、両層を交互に積層する場合でも温度を変化させることなく成長することができるため好ましい。この場合、両層間の屈折率差を大きくし難いため、反射率を上げるためには層数を多くするか、ＤＢＲ低屈折率層３１のＡｌの混晶比率を大きくする必要がある。Ａｌの混晶比率を大きくしても、バッファ層のようにバルクで厚い層を形成するのではなく、ＧａＮ層との積層構造にするため、キャリア濃度を上げることができ、ＳｉＣ基板との格子定数も近づき良質の膜を形成しやすい。
【００３０】
しかし、余りＡｌの混晶比率を上げないで、またはＤＢＲ低屈折率層３１のＡｌ混晶比を大きくしながら、なおも屈折率差を大きくする場合には、ＤＢＲ高屈折率層３２としてＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１、たとえばｚ＝０.０２）を用いることもできる。この場合、ＡｌＧａＮ系化合物は前述の高温で、ＩｎＧａＮ系化合物は４００〜１０００℃程度の低温で成長する。
【００３１】
また、前述のＤＢＲ低屈折率層３１やＤＢＲ高屈折率層３２は、そのいずれかの層または両層共に、上述のバルク層ではなく、たとえば図５にバンド図で示されるように、さらに屈折率の異なる薄い層、たとえばＩｎvＧａ1-vＮ（０＜ｖ＜１、たとえばｖ＝０.０１からなる調整層３２１を０.５〜２ｎｍ程度と、たとえばＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ＜１、たとえばｗ＝０からなる緩和層３２２を１〜３ｎｍ程度の超格子構造に形成されても、それぞれの超格子構造の平均的な屈折率が低い層と高い層とになるように交互に積層されれば、同様に光反射層として寄与しながら、超格子構造による格子定数などの相違に基づく結晶欠陥の発生を抑制することができる。なお、ＤＢＲ低屈折率層３１およびＤＢＲ高屈折率層３２共に、前述の例に限定されるものではなく、屈折率の異なる層で光を反射しやすいように積層されていればよい。
【００３２】
図１に示される例では、活性層５をそれよりバンドギャップの大きいｎ形層４およびｐ形層６によりサンドイッチ構造にしたダブルヘテロ接合構造の発光層形成部７が形成されている。この発光層形成部７は、図１に示される例では、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）の一般式で表される窒化物材料により、活性層５を挟むように、たとえば０.５μｍ程度のｎ形ＧａＮなどにより形成されるｎ形層４と０.５μｍ程度のｐ形ＧａＮなどにより形成されるｐ形層６が設けられたダブルヘテロ構造からなっている。ｎ形層４とｐ形層６とは活性層５にキャリアを閉じ込める意味からも、活性層５よりもバンドギャップの大きい材料が好ましく、前述のＧａＮの代りにＡｌＧａＮ系化合物でもよいし、他の組成の層との複層でそれぞれ設けられてもよいし、さらにはｎ形層４とｐ形層６とが異なる組成で形成されてもよく、必ずしもこれらには限定はされない。
【００３３】
この発光層形成部７を、たとえば面発光レーザのように、垂直方向の共振器として使用する場合には、全体の厚さがλ／ｎになるように調整されていることが共振器になりやすくて好ましい。この場合、ｎ形層４およびｐ形層６の厚さで調整される。また、垂直方向の共振器とする場合には、図示されていないが、この発光層形成部７の上に、第２の光反射層が形成される。この意味から、ｎ形層４およびｐ形層６はスペーサ層として機能したり、電子バリア層や正孔バリア層などとして機能したりするように、それらの組成や膜厚も適宜調整される。
【００３４】
前述の図６に示されるように、活性層５の非発光部のバンドギャップを大きくすることにより、たとえば図１に示される構造では、ｎ形層４およびＤＢＲ層３の機能を有し、これらの層はなくても構わない。さらに、非発光部の低屈折率層５２のＡｌの混晶比率を大きくすれば、ＳｉＣ基板１との格子不整合もある程度緩和され、バッファ層２もなくても構わない。すなわち、ＳｉＣ基板１上に直接図６に示されるような構造の活性層５を積層してもよい。この場合、導電形をＳｉＣ基板１と同じ導電形、すなわち図１に示される例ではｎ形にしたりすることもできる。
【００３５】
ｐ形層６上に、たとえばｐ形ＧａＮからなるコンタクト層８が設けられることにより、前述のバッファ層２、ＤＢＲ層３、発光層形成部７と共に半導体積層部９が構成されている。しかし、半導体積層部９としては、前述のようにこれらすべての層を必要とするものではなく、少なくとも活性層５を有していればよい。コンタクト層８は、その上部に設けられる電極（透光性導電層）とのオーミックコンタクトを良好にすると共に、上部電極１１からの電流を発光素子チップの全体に拡散させるために設けられるが、ｐ形層６の表面に直接透光性導電層が設けられてもよい。とくに、ｐ形層６としてＧａＮ層が用いられれば、同じ層になり共用できるが、活性層の近傍はあまり不純物濃度を上げない方がよい反面、上部電極１１側はできるだけキャリア濃度が高い方がオーミックコンタクトや電流拡散の点から好ましく、キャリア濃度を変えて別層で設けるか、キャリア濃度を順次変更して勾配をもたせることが好ましい。ｐ形層６としてＡｌＧａＮが用いられる場合には、ＧａＮの方がキャリア濃度をあげやすいため、ｐ形層６とは別にＧａＮによりコンタクト層８を設けることが好ましい。しかし、ＡｌＧａＮ系化合物層またはＩｎＧａＮ系化合物層で形成されてもよい。
【００３６】
このコンタクト層８上に透光性導電層１０が、たとえばＮｉ-Ａｕ層で２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成されたり、ＺｎＯ層またはＩＴＯ層で０.１〜２μｍ程度の厚さに設けられたりすることにより形成されている。ＺｎＯ層またはＩＴＯ層は厚くしても透光性があるが、Ｎｉ-Ａｕ層は厚くすると透光性がなくなるので、薄く形成される。図１に示される例では、ＺｎＯ層が０.３μｍ程度の厚さに形成されている。この透光性導電層１０は、窒化物半導体層、とくにｐ形窒化物半導体層はキャリア濃度を大きくし難く、電流をチップの全面に拡散し難いこと、および電極パッドとする金属膜からなる上部電極１１とのオーミックコンタクトを取り難いこと、という問題を改良するために設けられるもので、これらの問題を解消できればなくても構わない。
【００３７】
上部電極１１は、図１に示される例では半導体積層部９の上面側がｐ形からなる層であるため、ｐ側電極として形成されており、たとえばＴｉ／Ａｕ、Ｐｄ／ＡｕまたはＮｉ-Ａｕなどの積層構造で、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さに形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面に下部電極（ｎ側電極）１２が、たとえばＴｉ-Ａｌ合金またはＴｉ／Ａｕの積層構造などで、全体と０.１〜１μｍ程度の厚さに形成される。
【００３８】
前述の半導体積層部９をｎ形に形成するためには、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＨ2Ｓｅ、ＳｉＨ4、ＧｅＨ4、ＴｅＨ4などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られ、ｐ形にするためには、ＭｇやＺｎをシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）やジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の有機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしｎ形の場合は不純物を混入しなくても、成膜時にＮが蒸発しやすく自然にｎ形になりやすいため、その性質を利用することもできる。
【００３９】
つぎに、具体例で本発明の窒化物半導体発光素子の製法について簡単に説明する。まず、ＳｉＣ基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内にセッティングし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニアガス、ｎ形ドーパントガスとしてのＨ2Ｓｅ、ＳｉＨ4、ＧｅＨ4、ＴｅＨ4のいずれか、また、ｐ形ドーパントガスとしてＤＭＺｎもしくはしくＣｐ2Ｍｇのうちの必要なガスをキャリアガスのＨ2ガスまたはＮ2ガスと共に導入し、たとえば７００〜１２００℃程度温度で、ｎ形のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバッファ層２、Ａｌ0.3Ｇａ0.7ＮからなるＤＢＲ低屈折率層３１とＧａＮからなる高屈折率層３２をそれぞれλ／（４ｎ）の厚さで、交互に２０組程度積層し、光反射層３を形成する。
【００４０】
ついで、たとえばＧａＮからなり０.５μｍ程度厚のｎ形層４、たとえばＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる高屈折率層５１とＧａＮからなる低屈折率層５２を、それぞれλ／（４ｎ）の厚さで、交互に２組程度積層した活性層５、たとえばＧａＮからなり０.５μｍ程度厚のｐ形層６、ｐ形ＧａＮからなり０.０５〜２μｍ程度厚のｐ形コンタクト層８をそれぞれ順次エピタキシャル成長して、半導体積層部９を形成する。
【００４１】
そののちＳｉＯ2保護膜をコンタクト層８の表面全面に設け、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニールを行って、コンタクト層８およびｐ形層６の活性化を行う。アニールが完了すると、ウェハをスパッタリング装置または真空蒸着装置に入れてコンタクト層８表面に、ＺｎＯからなる透光性導電層１０を０.３μｍ程度形成し、さらにＴｉ、Ａｌなど成膜して上部電極１１を形成する。その後、ＳｉＣ基板１の裏面側をラッピングすることにより、ＳｉＣ基板１を薄くして、基板１の裏面に、Ｔｉ、Ａｕなどの金属膜を同様に成膜することにより、下部電極１２を形成する。最後に、スクライブしチップ化することにより、窒化物半導体発光素子のチップが得られる。
【００４２】
本発明によれば、窒化物半導体層を積層するのに、ＳｉＣ基板を用いながら、活性層に屈折率が相互に異なる２種類の窒化物半導体層が、それぞれλ／（４ｎ）の厚さで交互に積層されているため、発光する光を吸収しやすいＳｉＣ基板に吸収されることなく、発光した光を効率よく表面側から取り出すことができる。すなわち、活性層のうち、実際に発光するのはｐｎ接合に近い部分で、活性層をノンドープまたはｎ形で形成すればｐ形層側で発光し、ｐ形層から離れた部分では活性層であっても発光しないが、本発明では、この活性層が、屈折率の異なる２層が交互に積層される構造になっているため、発光しない部分は反射層として機能し、発光して基板側に進もうとする光を活性層で表面側に反射させる。その結果、基板にＳｉＣ基板を用いても、発光した光を非常に効率よく表面側から取り出すことができ、外部量子効率が大幅に向上し、非常に高輝度の窒化物半導体発光素子が得られる。
【００４３】
この場合、活性層だけで充分に光を反射させる反射層としにくい場合には、活性層の非発光部分を厚くして低屈折率層と高屈折率層との積層構造を増やしたり、さらに活性層とヘテロ接合構造を構成する半導体層（ｎ形層）またはさらにその基板側に光反射層が設けられたりすることにより、発光して基板側に進む光の殆どすべての光を表面側に反射させて利用することができる。さらに、活性層の非発光部分にバンドギャップの大きい窒化物半導体を用いることにより、キャリア閉じ込め効果を発揮し、この部分でダブルヘテロ接合構造が形成されて別途ｎ形層またはｐ形層を設ける必要がなくなったり、光反射層を構成する層にＡｌの混晶比率の大きい窒化物半導体を用いることにより、バッファ層も不要となったりし、光反射層を直接ＳｉＣ基板上に成長したり、活性層を直接ＳｉＣ基板上に成長したりすることができる。
【００４４】
その結果、積層される半導体層の下層の導電形層と接続する下部電極を基板の裏面に形成することができ、積層した半導体積層部の一部をエッチングにより除去して下層の導電形層を露出させる必要がなく、半導体積層部の一部をエッチングすることによるコンタミネーションの悪影響もなく、簡単に電極を形成することができる。そして、基板の裏面に一方の電極を形成した垂直型の窒化物半導体発光素子が得られ、製造工程が容易で、しかも使用勝手のよい高特性の窒化物半導体発光素子が得られる。
【００４５】
前述の例では、基板をｎ形にして下層の半導体層をｎ形にしたが、基板をｐ形にしてｐ形層を下層にすることも可能である。また、発光層形成部を、活性層をｎ形層とｐ形層とで挟持するサンドイッチ構造のダブルヘテロ構造にしたが、さらに他の半導体層がいずれかの層間に挿入されたり、シングルへテロ接合構造やホモｐｎ接合の一方の層にλ／（４ｎ）の積層構造が形成される構造にされたりすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による窒化物半導体発光素子の断面およびバンド図の説明図である。
【図２】図１に示される活性層の他の構成例を示すバンド図である。
【図３】本発明による窒化物半導体発光素子の他の構成例の断面説明図である。
【図４】本発明による窒化物半導体発光素子のさらに他の構成例を示す断面説明図である。
【図５】図１に示される光反射層の他の構成例を示すバンド図である。
【図６】図１に示される活性層のさらに他の構成例を示すバンド図である。
【図７】従来の窒化物半導体発光素子の一例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    ＳｉＣ基板
２    バッファ層
３    光反射層
４    ｎ形層
５    活性層
６    ｐ形層
９    半導体積層部
１１    上部電極
１２    下部電極
３１    ＤＢＲ低屈折率層
３２    ＤＢＲ高屈折率層
５１    高屈折率層
５２    低屈折率層
【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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【図６】
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【図７】
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