(57)【要約】【課題】  隣接するＩＩＩ族窒化物系化合物の層の間のヘテロ界面では、自発分極及び圧電分極によって界面電荷が生ずる。前記界面電荷の影響を低減するために不純物を添加すれば、前記不純物は光を吸収し、前記不純物の拡散で活性層が劣化して半導体発光素子の寿命を短くする。従って、ＩＩＩ族窒化物系化合物を積層した半導体発光素子は、電気特性の改善と発光効率及び寿命の発光特性との両立が困難であるという課題があった。本発明は前記課題を解決するため、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る半導体発光素子は、互いに組成の異なる二つの半導体層が隣接する界面近傍の不純物濃度を前記半導体層のそれぞれの不純物の平均濃度より高くなるように構成した。【選択図】図１
2007059756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、
ＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層し、前記活性層で発生した光を導波する第一半導体層と、
前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記活性層に正孔を供給する第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記第一半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度及び前記第二半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度より高いｐ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、
ｐ型不純物の平均の濃度が１×１０１８（ｃｍ−３）以上５×１０１８（ｃｍ−３）以下のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の積層方向の厚さで積層する第一半導体層と、
ｐ型不純物の平均の濃度が１×１０１９（ｃｍ−３）以上３×１０１９（ｃｍ−３）以下であり、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の積層方向の厚さで積層する第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記第一半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度及び前記第二半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度より高いｐ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
前記ドーピング領域における前記ｐ型不純物の最大濃度は５×１０１９（ｃｍ−３）以上１×１０２０（ｃｍ−３）以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ドーピング領域の積層方向に対するｐ型不純物の濃度プロファイルの半値幅は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下であることを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型不純物はＭｇであることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項６】
前記第一半導体層は組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層し、前記第二半導体層は組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．１５）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層することを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項７】
電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、
ＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｎ型の側に隣接して積層し、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、
前記第三半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第三半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記活性層に電子を供給する第四半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記第三半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度及び前記第四半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度より高いｎ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第三半導体層と前記第四半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、
ｎ型不純物の平均の濃度が１×１０１７（ｃｍ−３）以上３×１０１７（ｃｍ−３）以下のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｎ型の側に隣接して５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の積層方向の厚さで積層する第三半導体層と、
ｎ型不純物の平均の濃度が１×１０１８（ｃｍ−３）以上２×１０１８（ｃｍ−３）以下であり、前記第三半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第三半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の積層方向の幅で積層する第四半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記第三半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度及び前記第四半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度より高いｎ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第三半導体層と前記第四半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
前記ドーピング領域における前記ｎ型不純物の最大濃度は３×１０１８（ｃｍ−３）以上５×１０１８（ｃｍ−３）以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ドーピング領域の積層方向に対するｎ型不純物の濃度プロファイルの半値幅は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下であることを特徴とする請求項６から８に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ｎ型不純物はＳｉ又はＯであることを特徴とする請求項６から９に記載のいずれかの半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第三半導体層は組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層し、前記第四半導体層は組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．１５）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層することを特徴とする請求項７から１１に記載のいずれかの半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子はキャリアの再結合により光を発生させる活性層と呼ばれる半導体層及び活性層を両側から挟み活性層にキャリアを供給するクラッド層と呼ばれる半導体層から構成されるダブルヘテロ接合構造を基本構造としている。活性層のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層は所望の波長の光が得られる材料や構成が選択される。クラッド層は活性層にキャリアを供給しやすくするために活性層よりバンドギャップが広くなるように設計され、キャリアの極性をコントロールする不純物が添加されている。
【０００３】
さらに、前記クラッド層に添加された不純物が前記活性層へ拡散することを防止するため、ノンドープ又は不純物濃度の低い半導体層を前記クラッド層と前記活性層との間に配置することもある。特に、半導体レーザの場合、前記ノンドープ又は不純物濃度の低い半導体層は前記活性層で発生した光を反射して誘導放出を促進させる光閉じ込め機能も有する。前記クラッド層及び前記ノンドープ又は不純物濃度の低い半導体層を備えた半導体発光素子の構造は分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）と呼ばれることもある。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができるため、半導体発光素子はＩＩＩ族窒化物系化合物を積層したＳＣＨ構造のものが多い（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１７７１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＩＩＩ族元素の組成が互いに異なる複数のＩＩＩ族窒化物系化合物を積層した半導体発光素子では、隣接するＩＩＩ族窒化物系化合物の層の間のヘテロ界面において、自発分極及び互いの格子定数の相違から生ずる応力起因の圧電分極によって界面電荷が生ずる。
【０００６】
前記界面電荷は電場を発生させ、前記へテロ界面近傍のキャリア輸送を阻害するため、半導体発光素子が高抵抗になる。例えば、ｐ型の半導体層のヘテロ界面で正の界面電荷が発生した場合、バンドダイヤグラムにおける障壁と同様の影響があり、ホール輸送が阻害される。また、ｎ型の半導体層のヘテロ界面で負の界面電荷が発生した場合、同様に電子輸送が阻害される。
【０００７】
いいかえれば、前記界面電荷は前記へテロ界面近傍に空乏層を発生させるため、半導体発光素子のダイオード特性も悪化させることになる。
【０００８】
すなわち、前記界面電荷の発生は電気特性の悪化という影響を半導体発光素子に及ぼすことになる。
【０００９】
一方、半導体の極性に応じて不純物を添加することで、前記界面電荷の影響を緩和できることが知られている。例えば、ｐ型の半導体層における正の界面電荷に対してはｐ型不純物のＭｇを、ｎ型の半導体層における負の界面電荷に対してはｎ型不純物のＳｉ又はＯが添加される。不純物濃度が高いほど、前記界面電荷からの影響を緩和することができる。
【００１０】
しかし、前記不純物は光を吸収するため、不純物濃度を高めれば光損失が大きくなり、半導体発光素子の発光効率を低下させることになる。さらに、活性層に近接する半導体層からの不純物の拡散で活性層が劣化して半導体発光素子の寿命を短くする。
【００１１】
従って、ＩＩＩ族窒化物系化合物を積層した半導体発光素子は、電気特性の改善と発光効率及び寿命の発光特性との両立が困難であるという課題があった。
【００１２】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体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】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、互いに組成の異なる二つの半導体層が隣接する界面近傍の不純物濃度を前記半導体層のそれぞれの不純物の平均濃度より高くなるように構成した。
【００１４】
具体的には、本発明は、電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、ＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層し、前記活性層で発生した光を導波する第一半導体層と、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記活性層に正孔を供給する第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記第一半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度及び前記第二半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度より高いｐ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１５】
前記界面電荷は組成の異なる半導体層の界面近傍に発生するため、前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面近傍のみの不純物濃度を高めることで、前記第一半導体層及び前記第二半導体層全体の不純物濃度を高くせずとも、前記半導体発光素子は前記界面電荷からの影響を低減することができる。
【００１６】
また、前記第一半導体層の前記ドーピング領域以外の前記ｐ型不純物濃度は低いため、前記第一半導体層を導波する光のうち前記ｐ型不純物に吸収される光は少なく、前記半導体発光素子から放出される光の光量が増加する。また、前記活性層へ拡散する前記ｐ型不純物が少なくなるため、前記半導体発光素子の寿命への影響は少ない。
【００１７】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００１８】
具体的には、本発明は、電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、ｐ型不純物の平均の濃度が１×１０１８（ｃｍ−３）以上５×１０１８（ｃｍ−３）以下のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の積層方向の厚さで積層する第一半導体層と、ｐ型不純物の平均の濃度が１×１０１９（ｃｍ−３）以上３×１０１９（ｃｍ−３）以下であり、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の積層方向の厚さで積層する第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記第一半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度及び前記第二半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度より高いｐ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００１９】
前記半導体発光素子の効果は、前記活性層で発生した光を導波する第一半導体層及び前記活性層に正孔を供給する機能する第二半導体層を備えた半導体発光素子の効果と同様である。
【００２０】
なお、前記第一半導体層のｐ型不純物濃度は、電気抵抗の低下、不純物拡散防止及び不純物による光吸収防止の観点から前記範囲であることが求められる。また、前記第一半導体層の積層方向の幅（以下、「半導体層の積層方向の幅」を「半導体層の膜厚」と略記する。）は電気抵抗の低下及び光導波効果の観点から前記範囲であることが求められる。
【００２１】
一方、前記第二半導体層のｐ型不純物濃度は、電気抵抗の低下、正孔供給及び不純物起因の結晶欠陥の低減の観点から前記範囲であることが求められる。また、前記第二半導体層の膜厚は正孔供給量及び電気抵抗の観点から前記範囲であることが求められる。
【００２２】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００２３】
本発明に係る半導体発光素子の前記ドーピング領域における前記ｐ型不純物の最大濃度は５×１０１９（ｃｍ−３）以上１×１０２０（ｃｍ−３）以下であることが好ましい。
【００２４】
前記ドーピング領域における前記ｐ型不純物濃度は、前記界面電荷の影響の低減及び前記ｐ型不純物の前記ドーピング領域外への拡散防止の観点から前記範囲であることが好ましい。
【００２５】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００２６】
本発明に係る半導体発光素子の前記ドーピング領域の積層方向に対するｐ型不純物の濃度プロファイルの半値幅は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下であることが好ましい。
【００２７】
前記界面電荷は、前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面を中心として半導体の積層方向に対して１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下の幅の範囲に影響を及ぼす。
【００２８】
従って、本発明は、前記ｐ型不純物濃度プロファイルの半値幅を前記範囲とすることで、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００２９】
本発明に係る半導体発光素子の前記第一半導体層及び前記第二半導体層に添加される前記ｐ型不純物はＭｇであることが好ましい。
【００３０】
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物からなる半導体は不純物としてＭｇを含有することでｐ型半導体となる。Ｍｇの含有量を調整することで前記第一半導体層、前記第二半導体層及び前記ドーピング領域の不純物濃度を調整することができる。
【００３１】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００３２】
本発明に係る半導体発光素子において、前記第一半導体層は組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層し、前記第二半導体層は組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．１５）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層することが好ましい。
【００３３】
前記第一半導体層に組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＧａＮ化合物」と略記する。）を積層することで前記活性層で発生した光を導波できる。また、前記第二半導体層に組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．１５）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＡｌｘＧａ１−ｘＮ化合物」と略記する。）を積層することで、前記第二半導体層のバンドギャップは広がり、キャリアは容易に前記第一半導体層へ移動することができる。
【００３４】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。  
【００３５】
具体的には、本発明は、電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、ＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｎ型の側に隣接して積層し、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、前記第三半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第三半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記活性層に電子を供給する第四半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記第三半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度及び前記第四半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度より高いｎ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第三半導体層と前記第四半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００３６】
前記ドーピング領域がｎ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の半導体層にあっても、前記半導体発光素子は、ｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物の半導体層の半導体発光素子で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００３８】
具体的には、本発明は、電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、ｎ型不純物の平均の濃度が１×１０１７（ｃｍ−３）以上３×１０１７（ｃｍ−３）以下のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｎ型の側に隣接して５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の積層方向の厚さで積層する第三半導体層と、ｎ型不純物の平均の濃度が１×１０１８（ｃｍ−３）以上２×１０１８（ｃｍ−３）以下であり、前記第三半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第三半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の積層方向の幅で積層する第四半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記第三半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度及び前記第四半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度より高いｎ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第三半導体層と前記第四半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００３９】
前記半導体発光素子の効果は、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層及び前記活性層に正孔を供給する機能する第四半導体層を備えた半導体発光素子の効果と同様である。
【００４０】
なお、前記第三半導体層のｎ型不純物濃度は、電気抵抗の低下、不純物拡散防止及び不純物による光吸収防止の観点から前記範囲であることが求められる。また、前記第三半導体層の膜厚は電気抵抗の低下及び光導波効果の観点から前記範囲であることが求められる。
【００４１】
一方、前記第四半導体層のｎ型不純物濃度は、電気抵抗、正孔供給量及び不純物起因の結晶欠陥の低減の観点から前記範囲であることが求められる。また、前記第四半導体層の膜厚は正孔供給量及び電気抵抗の観点から前記範囲であることが求められる。
【００４２】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００４３】
本発明に係る半導体発光素子の前記ドーピング領域における前記ｎ型不純物の最大濃度は３×１０１８（ｃｍ−３）以上５×１０１８（ｃｍ−３）以下であることが好ましい。
【００４４】
ドーピング領域がｐ型半導体層にある場合と同様の理由により、前記ドーピング領域のｎ型不純物濃度は前記範囲であることが好ましい。
【００４５】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００４６】
本発明に係る半導体発光素子の前記ドーピング領域の積層方向に対するｎ型不純物の濃度プロファイルの半値幅は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下であることが好ましい。
【００４７】
前記界面電荷は、前記第三半導体層と前記第四半導体層との界面を中心として半導体の積層方向に対して１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下の範囲に影響を及ぼす。
【００４８】
従って、本発明は、前記ｎ型不純物濃度プロファイルの半値幅を前記範囲とすることで、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００４９】
本発明に係る半導体発光素子の前記第三半導体層及び前記第四半導体層に添加される前記ｎ型不純物はＳｉ又はＯであることが好ましい。
【００５０】
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物からなる半導体は不純物としてＳｉ又はＯを含有することでｎ型半導体となる。Ｓｉ又はＯの含有量を調整することで前記第三半導体層、前記第四半導体層及び前記ドーピング領域の不純物濃度を調整することができる。
【００５１】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【００５２】
本発明に係る半導体発光素子において、前記第三半導体層は組成式がＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層し、前記第四半導体層は組成式がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．１５）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物を積層することが好ましい。
【００５３】
ｎ型側の第三半導体層及び第四半導体層にそれぞれＧａＮ化合物及びＡｌｘＧａ１−ｘＮ化合物を積層することで前記第一半導体層及び前記第二半導体層で説明した効果を得ることができる。
【００５４】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した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】
【００５６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００５７】
（実施の形態１）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、ＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｐ型の側に隣接して積層し、前記活性層で発生した光を導波する第一半導体層と、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記活性層に正孔を供給する第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記第一半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度及び前記第二半導体層におけるｐ型不純物の平均の濃度より高いｐ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第一半導体層と前記第二半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子である。
【００５８】
本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子１０１の断面の概念図を図１に示す。半導体発光素子１０１は電極１１、基板１２、ｎ型下地層１３、ｎ型第三半導体層２５、ｎ型第四半導体層２７、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７、ｐ型コンタクト層１８及び電極１９を備える。
【００５９】
半導体発光素子１０１は基板１２上に各半導体層を積層しており、活性層１４に対して電極１９の側の半導体層、すなわちｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８をｐ型としている。
【００６０】
一方、活性層１４に対して基板１２の側の半導体層、すなわちｎ型第三半導体層２５、ｎ型第四半導体層２７及びｎ型下地層１３をｎ型としている。半導体発光素子１０１は陽電極と陰電極が基板に対して同一の方向にある表面電極型の半導体発光素子である。
【００６１】
また、半導体発光素子１０１において、活性層１４に対してｐ型の側にｐ型ドーピング領域１６を有している。
【００６２】
電極１１及び電極１９は半導体発光素子１０１に電圧を印加するために配置される。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体発光素子としての効率を損なうため、電極１１及び電極１９は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置と接続する配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、ｎ型半導体と接触する電極１１の素材としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＡｕやＡｌ／Ａｕが例示される。ｐ型半導体と接触する電極１９の素材としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ及びＰｔ／Ａｕが例示される。電極１９は活性層１４の一部にキャリアを集中させて供給するためｐ型コンタクト層１８上に帯状に配置される。
【００６３】
基板１２は半導体薄膜で構成される半導体発光素子１０１を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子１０１の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、組成式ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物」と略記する。）を積層させる場合はサファイヤが例示される。
【００６４】
活性層１４は電子及び正孔の再結合により光を発光する層である。活性層１４に採用される素材のバンドギャップにより発光する光の波長が定まる。活性層１４に採用される素材は発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。ＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物薄膜を使用することで、組成変更により幅広いバンドギャップを作り出すことができ、所望の波長の半導体発光素子を製造することができる。
【００６５】
また、活性層１４はバンドギャップが互いに異なる少なくとも二種類の半導体薄膜を交互に配置させることで、バンドギャップの広い方の半導体薄膜を障壁層とし、バンドギャップの狭い方の半導体薄膜を井戸層とした多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることもできる。活性層１４を前記ＭＱＷとすることで特定のエネルギー状態に電子が集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。ＭＱＷとした場合、前記井戸層のバンドギャップで発光する光の波長が定まる。
【００６６】
ＭＱＷは、障壁層として前記組成式においてｘ＝０、ｙ＝ｄ（０．９５≦ｄ≦１、好ましくは０．９７≦ｄ≦１）のＩＩＩ族窒化物系化合物と量子井戸として前記組成式においてｘ＝０、ｙ＝ｅ（ｅ＜ｄ且つ０．８０≦ｅ≦０．９５、好ましくはｅ＜ｄ且つ０．８５≦ｅ≦０．９）のＩＩＩ族窒化物系化合物との組み合わせが例示される。また、ＭＱＷの障壁層として５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、ＭＱＷの井戸層として１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚が例示される。ＭＱＷを構成する前記障壁層と前記井戸層との組は２組以上３組以下であることが例示される。
【００６７】
半導体発光素子において、発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が量子井戸の障壁を越えてｐ型側の半導体層へ移動して、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体発光素子の発光効率を低下させるキャリアオーバーフローという現象が生ずる。活性層１４において、キャリアオーバーフローを防止するＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の電子バリア層を前記ＭＱＷに対してｐ型側の前記ＭＱＷの端に配置してもよい。
【００６８】
前記電子バリア層はバンドギャップが広く、伝送帯の底部準位が高いため、前記熱エネルギーを得た電子であっても前記電子バリア層を通過してｐ型側の半導体層へ移動することができない。活性層１４は前記電子バリア層を有することで無効キャリアを減少させることができ、半導体発光素子の発光効率を高くすることができる。例えば、前記電子バリア層としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ化合物（０≦ｘ≦１）と表されるｐ型のＩＩＩ族窒化物系化合物が例示される。
【００６９】
ｎ型第四半導体層２７はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。ｎ型第四半導体層２７は前記組成式において０．０５≦ｍ≦０．１５、好ましくはｍ＝０．０７、ｍ＋ｎ＝１の関係のＡｌｘＧａ１−ｘＮ化合物が例示される。ｎ型第四半導体層２７はキャリア密度を高めるためｎ型不純物、例えばＳｉ又はＯが添加される。ｎ型第四半導体層２７の平均のｎ型不純物濃度は１×１０１８（ｃｍ−３）以上２×１０１８（ｃｍ−３）以下であり、ｎ型第四半導体層２７の膜厚は８００（ｎｍ）以上１２００（ｎｍ）以下が好ましい。
【００７０】
ｎ型第三半導体層２５はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。活性層１４に不純物が拡散しないようにｎ型第三半導体層２５には不純物はｎ型第四半導体層２７に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、ｎ型第三半導体層２５のバンドギャップは活性層１４のバンドギャップより広くかつｎ型第四半導体層２７のバンドギャップより狭く設計される。活性層１４が前記ＭＱＷである場合、ｎ型第三半導体層２５のバンドギャップは前記ＭＱＷを構成する障壁層のバンドギャップより広く、ｎ型第四半導体層２７のバンドギャップより狭い。
【００７１】
具体的には、ｎ型第三半導体層２５は前記組成式においてｍ＝０、ｎ＝１の関係のＧａＮ化合物が例示される。なお、ｎ型第三半導体層２５の組成を前記組成式においてｍ＝０及び０．９５≦ｎ≦１とするＩＩＩ族窒化物系化合物としてもよい。
【００７２】
ｎ型第三半導体層２５にはｎ型不純物、例えばＳｉ又はＯが添加される。ｎ型第三半導体層２５の平均のｎ型不純物濃度は１×１０１７（ｃｍ−３）以上３×１０１７（ｃｍ−３）以下であり、ｎ型第三半導体層２５の膜厚は５０（ｎｍ）以上１００（ｎｍ）以下が好ましい。
【００７３】
ｐ型第二半導体層１７はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。ｐ型第二半導体層１７はｎ型第四半導体層２７と同様の組成のＩＩＩ族窒化物系化合物が例示される。ｐ型第二半導体層１７はキャリア密度を高めるためｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。
【００７４】
ｐ型第二半導体層１７の平均のｐ型不純物濃度は１×１０１９（ｃｍ−３）以上３×１０１９（ｃｍ−３）以下であり、ｐ型第二半導体層１７の膜厚は３０（ｎｍ）以上５００（ｎｍ）以下が好ましい。
【００７５】
ｐ型第一半導体層１５はＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の半導体層である。活性層１４に不純物が拡散しないようにｐ型第一半導体層１５には不純物はｐ型第二半導体層１７に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、ｐ型第一半導体層１５のバンドギャップは活性層１４のバンドギャップより広く設計される。活性層１４が前記ＭＱＷである場合、ｐ型第一半導体層１５のバンドギャップは前記ＭＱＷを構成する障壁層のバンドギャップより広く、ｐ型第二半導体層１７のバンドギャップより狭い。
【００７６】
ｐ型第一半導体層１５はｎ型第三半導体層２５と同様の組成のＩＩＩ族窒化物系化合物が例示される。
【００７７】
ｐ型第一半導体層１５にはｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。ｐ型第一半導体層１５の平均のｐ型不純物濃度は１×１０１８（ｃｍ−３）以上５×１０１８（ｃｍ−３）以下であり、ｐ型第一半導体層１５の膜厚は５０（ｎｍ）以上１００（ｎｍ）以下が好ましい。
【００７８】
ｐ型コンタクト層１８は電極１９とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が１０（ｎｍ）以上１００（ｎｍ）以下のＧａＮ化合物が例示できる。ｐ型コンタクト層１８がＧａＮ化合物の場合、添加する不純物としてＭｇが例示される。
【００７９】
ｎ型下地層１３はｎ型下地層１３上に積層する半導体の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚１μｍ以上５μｍ以下のＳｉを不純物としてｎ型としたＧａＮ化合物が例示できる。不純物濃度は１×１０１７（ｃｍ−３）以上１×１０１９（ｃｍ−３）以下であることが例示される。
【００８０】
半導体発光素子１０１は基板１２上にｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、ｎ型第三半導体層２５、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８を順に積層する。各半導体層を積層する手段は後述する。
【００８１】
半導体発光素子１０１はｐ型第一半導体層１５におけるｐ型不純物の平均の濃度及びｐ型第二半導体層１７におけるｐ型不純物の平均の濃度より高いｐ型不純物の濃度のｐ型ドーピング領域１６をｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との界面に有する。
【００８２】
図２にｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との界面付近における積層方向に対するｐ型不純物濃度の推移である不純物濃度プロファイル２５０を示す。図２において、図１で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。図２において縦軸はｐ型不純物濃度、横軸は積層方向を示す。横軸の右方向が基板１２側、左方向が電極１９側である。
【００８３】
ｐ型ドーピング領域１６におけるｐ型不純物の最大濃度２５１は５×１０１９（ｃｍ−３）以上１×１０２０（ｃｍ−３）以下であることが好ましい。また、図２において、濃度２５２は最大濃度２５１の１／２の値の濃度である。ｐ型ドーピング領域１６の積層方向に対するｐ型不純物の濃度プロファイル２５０の半値幅は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下であることが好ましい。
【００８４】
半値幅とは、濃度プロファイル２５０においてｐ型第一半導体層１５側の濃度２５２の点とｐ型第二半導体層１７側の濃度２５２の点との幅、すなわち半導体の積層方向における最大濃度２５１の１／２となる位置間の距離である。
【００８５】
半導体発光素子１０１は以下に説明するように形成する。
【００８６】
（半導体層積層工程）
半導体発光素子１０１の各半導体層は有機金属気相成長法（以下、「有機金属気相成長法」を「ＭＯＣＶＤ法」と略記する。）を利用して積層される。ＭＯＣＶＤ法は原料ガスを反応炉（チャンバ）に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏６００度から摂氏１１００度に維持された基板上で原料ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。原料ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。
【００８７】
ｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、ｎ型第三半導体層２５、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８がＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物薄膜の場合、ＭＯＣＶＤ法はＩＩＩ属元素としてＧａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリウム、以下「ＴＭＧ」と略記する。）、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３（トリエチルインジウム、以下「ＴＭＩ」と略記する。）及びＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム、以下「ＴＭＡ」と略記する。）をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニア蒸気を使用する。原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。
【００８８】
また、不純物はｐ型ドーパントとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）又はｎ型ドーパントとしてＳｉＨ４（シラン）も同様に蒸気としてチャンバに導き入れることができる。
【００８９】
ＭＯＣＶＤ法はＣＰ２Ｍｇ又はＳｉＨ４、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアを所定の混合比で混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望の組成のＡｌｍＧａｎＩｎ１−ｍ−ｎＮ化合物の膜を成長させることができ、反応時間で膜厚を制御することができる。従って、ＭＯＣＶＤ法で、基板１２上にｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７、ｎ型第三半導体層２５、活性層１４、ｐ型第一半導体層１５、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型コンタクト層１８を連続して積層することができる。
【００９０】
なお、ｐ型ドーピング領域１６もＭＯＣＶＤ法の製造パラメータを調整することで形成することができる。具体的には、ｐ型第一半導体層１５を積層中に所定の時間経過後、混合ガス中のＣＰ２Ｍｇの割合を所定の値まで増加させる。所定の値までステップ状に増加させても、連続的に単調増加させてもよい。さらに、ｐ型第一半導体層１５の積層終了後、連続してｐ型第二半導体層１７を積層する。ｐ型第二半導体層１７を積層中に所定の時間経過後、混合ガス中のＣＰ２Ｍｇの割合を所定の値まで減少させる。所定の値までステップ状に減少させても、連続的に単調減少させてもよい。
【００９１】
前述のようにｐ型第一半導体層１５及びｐ型第二半導体層１７を積層することで、ｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との界面にｐ型ドーピング領域１６を形成することができ、混合ガス中のＣＰ２Ｍｇの割合でｐ型不純物濃度を、混合ガス中のＣＰ２Ｍｇの割合の変更タイミングでｐ型ドーピング領域１６の半値幅を制御することができる。
【００９２】
（リッジ構造部エッチング工程）
次にリッジ構造部の半導体層を以下のように形成する。まず、ｐ型コンタクト層１８の上面にエッチングマスク層を積層する。前記エッチングマスク層はスパッタリングで形成するＳｉＯ２層や回転塗布後に加熱固化若しくは紫外線硬化して形成するＳｉＯ２層が例示できる。前記エッチングマスク層形成後、前記エッチングマスク層の上面にリソグラフィ技術でリッジ構造を形成する部分にレジストパターンを形成する。前記レジストパターン形成後、形成したレジストパターンをマスクとして、前記エッチングマスク層をエッチングする。その後、エッチングされなかった前記エッチングマスク層上のレジストパターンを剥離することでエッチングマスクパターンが形成される。
【００９３】
次いで、上記エッチングマスクパターンをマスクとしてｐ型コンタクト層１８及びｐ型第二半導体層１７又はｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５の一部までエッチングする。エッチングとしてＣｌ系プラズマを利用したドライエッチングが例示できる。本工程でｐ型コンタクト層１８及びｐ型第二半導体層１７又はｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５の一部までのリッジ構造が形成される。
【００９４】
（絶縁膜形成工程）
前記エッチングマスクパターン、前記リッジ構造部エッチング工程で露出したｐ型第一半導体層１５、前記リッジ構造の側面を覆うように絶縁膜２０を形成する。絶縁膜２０を形成する手段としてはスパッタリングが例示できる。
【００９５】
（エッチングマスクパターン除去工程）
前記絶縁膜形成工程後、ｐ型コンタクト層１８上の前記エッチングマスクパターンを除去する。前記エッチングマスクパターンを除去する手段として、１−水素２−フッ化アンモニウム溶液であるバッファドフッ酸に所定の時間浸してウェットエッチングすることが例示できる。前記エッチングマスクパターンを除去することで、前記エッチングマスクパターン上に積層している絶縁膜２０もリフトオフされ、ｐ型コンタクト層１８が露出する。
【００９６】
（電極１９形成工程）
前記エッチングマスクパターン除去工程後、露出したｐ型コンタクト層１８及びリフトオフされなかった絶縁膜２０の全面を覆うように電極１９を形成する。電極１９の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
【００９７】
（電極１１形成工程）
電極１９形成工程後、電極１１を形成する箇所の陰電極部Ｍを形成するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Ｐの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Ｍの電極１９、絶縁膜２０及びｐ型半導体層１５からｎ型下地層１３の一部までの半導体層を除去する。前記ドライエッチングで露出したｎ型下地層１３の上面に電極１１を形成する。電極１１の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
【００９８】
前記半導体層積層工程から前記電極１１形成工程までを経て半導体発光素子１０１が得られる。
【００９９】
ｐ型ドーピング領域１６が無い従来の半導体発光素子のバンドダイヤグラムの概念図を図３に、半導体発光素子１０１のバンドダイヤグラムの概念図を図４に示す。図３及び図４において１１ａは電極１１の領域、１３ａはｎ型下地層１３の領域、２５ａはｎ型第三半導体層２５の領域、２７ａはｎ型第四半導体層２７の領域、１４ａは活性層１４の領域、１５ａはｐ型第一半導体層１５の領域、１７ａはｐ型第二半導体層１７の領域、１８ａはｐ型コンタクト層１８の領域及び１９ａは電極１９の領域のバンドギャップを示している。２１は価電子帯のトップ準位、２２は伝導帯の底部準位である。
【０１００】
図３の従来の半導体素子及び図４の半導体発光素子１０１の活性層１４はＭＱＷ構造であり、前記ＭＱＷに対してｐ型側の前記ＭＱＷの端に電子バリア層を有している。活性層１４の領域１４ａにおいて１４ｂは井戸層の領域、１４ｃは障壁層の領域、１４ｄは電子バリア層の領域を示している。なお、図３及び図４において電極１１からｎ型下地層１３まで及びｐ型コンタクト層１８から電極１９までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
【０１０１】
半導体発光素子１０１において、ｐ型第二半導体層１７及びｎ型第四半導体層２７はクラッド層、ｐ型第一半導体層１５及びｎ型第三半導体層２５はそれぞれ活性層１４に対して光閉じ込め層として機能する。
【０１０２】
電極１９を陽極として、電極１１を陰極として電圧を印加することで電極１１から電子が、電極１９から正孔が半導体発光素子１０１に注入される。注入された電子はｎ型下地層１３、ｎ型第四半導体層２７及びｎ型第三半導体層２５を順に移動して活性層１４に、注入された正孔はｐ型コンタクト層１８、ｐ型第二半導体層１７及びｐ型第一半導体層１５を順に移動して活性層１４に注入される。
【０１０３】
活性層１４は活性層１４の各井戸層に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することにより量子井戸の価電子帯のトップ準位２１と伝導帯の底部準位２２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１０４】
従来の半導体発光素子に電圧を印加すれば、前記界面電荷の存在によりｐ型第一半導体層１５のｐ型第二半導体層１７側及びｎ型第三半導体層２５のｎ型第四半導体層２７側に空乏領域が生ずるため図３のようなバンドダイヤグラムとなる。一方、半導体発光素子１０１は前記界面電荷の影響を低減できるｐ型ドーピング領域１６を有するため、図４のようなバンドダイヤグラムとなる。
【０１０５】
組成が異なり、前記ドーピング領域のない半導体層間の界面では前記界面電荷によるバンドギャップの歪が生ずる。図３のバンドダイヤグラムにおいて、ｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との界面及びｎ型第三半導体層２５とｎ型第四半導体層２７との界面のみバンドギャップの歪を表示しているが、他の組成の異なる半導体層との界面におけるバンドギャップの歪を省略している。図４及び以降のバンドギャップの図においても同様である。
【０１０６】
なお、図４のバンドダイヤグラムにおいて、ｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との界面にはドーピング領域があるため、バンドギャップの歪は発生しない。
【０１０７】
図５に従来の半導体発光素子及び半導体発光素子１０１の電気特性（横軸に印加電圧、縦軸に電流を示したＩ−Ｖ曲線）を示す。図５において、横軸のＶは電極１１、電極１９間の印加電圧、縦軸のＩは注入されるキャリア量、すなわち電流を示している。曲線５５１は半導体発光素子１０１のＩ−Ｖ曲線である。曲線５５２は従来の半導体発光素子のＩ−Ｖ曲線である。図３及び図４で説明したバンドダイヤグラムの違いにより半導体発光素子１０１は従来の半導体発光素子よりビルトイン電圧が低減している。
【０１０８】
図６に従来の半導体発光素子及び半導体発光素子１０１の電気特性（横軸に印加電圧、縦軸に対数表示の電流を示したｌｏｇＩ−Ｖ曲線）を示す。図６において、図５で用いた符号と同じ符号は同じ半導体素子の電気特性を示す。曲線５５１と曲線５５２とを比較すれば、半導体発光素子１０１は従来の半導体発光素子に比べ微小電流領域（１０−５〜１０−３Ａ）における順方向電圧を低減している。
【０１０９】
図５及び図６の結果から半導体発光素子１０１の電気特性は従来の半導体発光素子の電気特性から改善されていることがわかる。
【０１１０】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【０１１１】
（実施の形態２）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合して光が発生する活性層と、ＩＩＩ族窒化物系化合物を前記活性層に対して極性がｎ型の側に隣接して積層し、前記活性層で発生した光を導波する第三半導体層と、前記第三半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の組成と異なる組成のＩＩＩ族窒化物系化合物を前記第三半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記活性層に電子を供給する第四半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記第三半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度及び前記第四半導体層におけるｎ型不純物の平均の濃度より高いｎ型不純物の濃度のドーピング領域を前記第三半導体層と前記第四半導体層との界面に有することを特徴とする半導体発光素子である。
【０１１２】
本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０７の断面の概念図を図７に示す。図７において、図１で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子１０７と図１の半導体発光素子１０１との違いは、半導体発光素子１０７には半導体発光素子１０１のｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との界面にｐ型ドーピング領域１６が無く、ｎ型第三半導体層２５とｎ型第四半導体層２７との界面にｎ型ドーピング領域７６を有することである。
【０１１３】
半導体発光素子１０７はｎ型第三半導体層２５におけるｎ型不純物の平均の濃度及びｎ型第四半導体層２７におけるｎ型不純物の平均の濃度より高いｎ型不純物の濃度のｎ型ドーピング領域７６をｎ型第三半導体層２５とｎ型第四半導体層２７との界面に有する。
【０１１４】
ｎ型第三半導体層２５とｎ型第四半導体層２７との界面付近における積層方向に対するｎ型不純物濃度プロファイルは図２で示したｐ型不純物濃度プロファイル２５０と同様のプロファイルとなる。
【０１１５】
ｎ型ドーピング領域７６におけるｎ型不純物の最大濃度は３×１０１８（ｃｍ−３）以上５×１０１８（ｃｍ−３）以下であることが好ましい。ｎ型ドーピング領域７６の積層方向に対するｎ型不純物の濃度プロファイルの半値幅は１０（ｎｍ）以上３０（ｎｍ）以下であることが好ましい。
【０１１６】
半導体発光素子１０７は図１の半導体発光素子１０１で説明したように製造することができる。なお、ｎ型ドーピング領域７６はｐ型ドーピング領域１６の形成方法と同様に形成することができる。
【０１１７】
半導体発光素子１０７のバンドダイヤグラムの概念図を図８に示す。図８において図３及び図４と同一の符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。なお、図８において電極１１からｎ型下地層１３まで及びｐ型コンタクト層１８から電極１９までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
【０１１８】
電極１９から注入された正孔及び電極１１から注入された電子は図３及び図４で説明したように活性層１４に集中し、再結合する。従って、半導体発光素子１０７は量子井戸の価電子帯のトップ準位２１と伝導帯の底部準位２２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１１９】
図３のバンドダイヤグラムで説明したように、従来の半導体発光素子に電圧を印加すれば、前記界面電荷の存在によりｎ型第三半導体層２５のｎ型第四半導体層２７側に空乏領域が生ずる。一方、半導体発光素子１０７は図４で説明したｐ型ドーピング領域１６と同様の効果を持つｎ型ドーピング領域７６を有するため、図８のようなバンドダイヤグラムとなる。
【０１２０】
活性層のｎ型側にｎ型ドーピング領域を有していても、半導体発光素子１０７は図５で説明したような電気特性を得ることができる。
【０１２１】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【０１２２】
（実施の形態３）
本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０９の断面の概念図を図９に示す。図９において、図１及び図６で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。
【０１２３】
半導体発光素子１０９と図１の半導体発光素子１０１との違いは、半導体発光素子１０９にはｎ型第三半導体層２５とｎ型第四半導体層２７との界面にさらにｎ型ドーピング領域７６を有することである。
【０１２４】
半導体発光素子１０９は図１の半導体発光素子１０１及び図７の半導体発光素子１０７で説明したように製造することができる。
【０１２５】
半導体発光素子１０９のバンドダイヤグラムの概念図を図１０に示す。図１０において図３及び図４と同一の符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。なお、図１０において電極１１からｎ型下地層１３まで及びｐ型コンタクト層１８から電極１９までのバンドギャップの一部を省略して表示している。
【０１２６】
電極１９から注入された正孔及び電極１１から注入された電子は図３及び図４で説明したように活性層１４に集中し、再結合する。従って、半導体発光素子１０９は量子井戸の価電子帯のトップ準位２１と伝導帯の底部準位２２との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【０１２７】
半導体発光素子１０９はｐ型ドーピング領域１６及びｎ型ドーピング領域７６を有するため、図３の従来の半導体発光素子のバンドダイヤグラムで説明したｐ型側及びｎ型側の双方の界面電荷の影響を低減することができ、図５で説明したような電気特性を得ることができる。
【０１２８】
従って、本発明は、発光特性を維持しつつ、互いに組成の異なる二の半導体層が隣接する界面における界面電荷の影響を低減して電気特性を改善した半導体発光素子を提供することができる。
【０１２９】
なお、ｎ側の電極１１は実施の形態１から３の半導体発光素子で説明した位置に限るものではない。基板１２のサファイヤ基板の代替として、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等の導電性基板を用いることもできる。基板１２に前記導電性基板を用いる場合には半導体層を積層した基板１２の裏面にｎ側電極を設ける裏面電極型の半導体発光素子とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本願発明の半導体発光素子の構成は受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、ＨＥＭＴに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子１０１の断面の概念図である。
【図２】半導体発光素子１０１のｐ型第一半導体層１５とｐ型第二半導体層１７との間の不純物濃度プロファイルの図である。
【図３】従来の半導体発光素子のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図４】半導体発光素子１０１のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図５】従来の半導体発光素子と半導体発光素子１０１の電気特性（横軸に印加電圧、縦軸に電流を示したＩ−Ｖ曲線）を示した図である。
【図６】従来の半導体発光素子と半導体発光素子１０１の電気特性（横軸に印加電圧、縦軸に対数表示の電流を示したｌｏｇＩ−Ｖ曲線）を示した図である。
【図７】本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０７の断面の概念図である。
【図８】半導体発光素子１０７のバンドダイヤグラムの概念図である。
【図９】本発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子１０９の断面の概念図である。
【図１０】半導体発光素子１０９のバンドダイヤグラムの概念図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０１、１０７、１０９  半導体発光素子
１１  電極
１２  基板
１３  ｎ型下地層
２０  絶縁膜
２７  ｎ型第四半導体層
２５  ｎ型第三半導体層
１４  活性層
１５  ｐ型第一半導体層
１６  ｐ型ドーピング領域
１７  ｐ型第二半導体層
１８  ｐ型コンタクト層
１９  電極
１１ａ  電極１１の領域
１３ａ  ｎ型下地層１３の領域
１４ａ  活性層１４の領域
１４ｂ  井戸層の領域
１４ｃ  障壁層の領域
１４ｄ  電子バリア層の領域
１５ａ  ｐ型第一半導体層１５の領域
１７ａ  ｐ型第二半導体層１７の領域
１８ａ  ｐ型コンタクト層１８の領域
１９ａ  電極１９の領域
２５ａ  ｎ型第三半導体層２５の領域
２７ａ  ｎ型第四半導体層２７の領域
２１  価電子帯のトップ準位
２２  伝導帯の底部準位
７６  ｎ型ドーピング領域
２５０  不純物濃度プロファイル
２５１  最大不純物濃度
２５２  最大不純物濃度２５１の１／２の濃度
５５１  半導体発光素子１０１のＩ−Ｖ曲線
５５２  従来の半導体発光素子のＩ−Ｖ曲線
Ｍ  陰電極
Ｐ  陽電極
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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