(57)【要約】【課題】窒化物半導体の結晶性を高め、窒化物半導体発光素子の動作電圧を高める。【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、ｎ型窒化物半導体層は、１層または２層以上を積層したものであり、ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、ＳｉとＳｎとをｎ型ドーパントして含み、かつＩｎを等電子ドーパントとして含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、１層または２層以上を積層したものであり、
前記ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、ＳｉとＳｎとをｎ型ドーパントして含み、かつＩｎを等電子ドーパントとして含む、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、５×１０18／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下の原子濃度のＳｉを含む、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、５×１０17／ｃｍ3以上１×１０19／ｃｍ3以下の原子濃度のＳｎを含む、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、５×１０19／ｃｍ3以上１×１０21／ｃｍ3以下の原子濃度のＩｎを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、Ｓｎの原子濃度が、Ｓｉの原子濃度よりも小さい、請求項１〜４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型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、ＧａＮである、請求項１〜５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型窒化物半導体層は、ｎ側電極とのコンタクト層である、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ側電極は、ＴｉまたはＡｌのいずれか一方もしくは両方を含む金属、または該金属を含む合金からなる、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層と、該第１のｎ型窒化物半導体層および前記発光層の間に形成される第２のｎ型窒化物半導体層とを含み、
前記第２のｎ型窒化物半導体層は、前記第１のｎ型窒化物半導体層に含まれるｎ型ドーパント原子濃度よりもｎ型ドーパントの原子濃度が小さい、請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第２のｎ型窒化物半導体層は、Ｉｎを等電子ドーパントとして含む、請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第２のｎ型窒化物半導体層は、Ｍｇを含む、請求項９または１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第２のｎ型窒化物半導体層は、５×１０18／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下の原子濃度のＭｇを含む、請求項９〜１１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、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード(ＬＤ)、電子デバイス等に用いる窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体発光素子等に用いられる窒化物半導体は、動作電圧を低くするために、結晶性を高めることが要求されている。かかる結晶性を高めるためには、窒化物半導体中の格子欠陥を少なくし、窒化物半導体の空孔密度を低下させることが必要である。
【０００３】
窒化物半導体の空孔密度を低下するための試みとして、たとえば特許文献１および非特許文献１には、窒化物半導体に等電子ドーパントを添加する技術が開示されている。これらの文献では、ＧａＮのような窒化物半導体に、窒化物半導体を構成する元素よりも原子半径の大きいＩｎなどの同族元素をドーピングしている。
【０００４】
このような等電子トーパントをドーピングすることにより、窒化物半導体に圧縮応力を加え、かかる圧縮応力が、窒化物半導体中の拡張性歪みを相殺し、もって空孔密度を減らすことができる。このようにして窒化物半導体の結晶性を高め、転位のピン止めや移動度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−２４３６１４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】PHYSICAL  REVIEW  B，  VOLUME  ６４，０３５３１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のようにＩｎ等で等電子ドーピングを行なうことにより、空孔過飽和度を下げることができ、空孔密度を低減させることができる。しかしながら、窒化物半導体に用いられるｎ型ドーパントはＳｉであり、かかるＳｉはＧａを置換するが、沸点の相違に起因して、表面エネルギーの変化や、原子半径の相違に起因する歪が生じる。このため、１×１０19／ｃｍ3以上の濃度でドーピングすると、窒化物半導体の結晶の周期性が悪化し、結晶性が悪化するなどの課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＳｉとＳｎとＩｎとを同時にドーパントとして含むことにより、窒化物半導体の結晶性を高め、もって窒化物半導体発光素子の動作電圧を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、ｎ型窒化物半導体層は、１層または２層以上を積層したものであり、ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、ＳｉとＳｎとをｎ型ドーパントして含み、かつＩｎを等電子ドーパントとして含むことを特徴とする。
【００１０】
上記のｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、５×１０18／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下の原子濃度のＳｉを含むことが好ましく、５×１０17／ｃｍ3以上１×１０19／ｃｍ3以下の原子濃度のＳｎを含むことが好ましく、５×１０19／ｃｍ3以上１×１０21／ｃｍ3以下の原子濃度のＩｎを含むことが好ましい。
【００１１】
ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、Ｓｎの原子濃度が、Ｓｉの原子濃度よりも小さいことが好ましい。ｎ型窒化物半導体層を構成する少なくとも１層は、ＧａＮであることが好ましい。
【００１２】
ｎ型窒化物半導体層は、ｎ側電極とのコンタクト層であることが好ましい。かかるｎ側電極は、ＴｉまたはＡｌのいずれか一方もしくは両方を含む金属、または該金属を含む合金からなることが好ましい。
【００１３】
ｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層と、該第１のｎ型窒化物半導体層および発光層の間に形成される第２のｎ型窒化物半導体層とを含み、該第２のｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層に含まれるｎ型ドーパント原子濃度よりもｎ型ドーパントの原子濃度が小さいことが好ましい。
【００１４】
第２のｎ型窒化物半導体層は、Ｉｎを等電子ドーパントとして含むことが好ましく、さらにＭｇを含むことが好ましい。第２のｎ型窒化物半導体層は、５×１０18／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下の原子濃度のＭｇを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の窒化物半導体発光素子は、上記のような構成を有することにより、窒化物半導体の結晶性を高めることができ、もって窒化物半導体発光素子の動作電圧を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の窒化物半導体発光素子の基本構造の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】実施例の窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下において、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表すものではない。
【００１８】
（窒化物半導体発光素子）
図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な断面図である。本発明の窒化物半導体発光素子は、図１に示されるように、基板１上に形成されたｎ型窒化物半導体層２と、該ｎ型窒化物半導体層２上に形成された発光層３と、該発光層３上に形成されたｐ型窒化物半導体層４とを含み、ｎ型窒化物半導体層２は、１層または２層以上を積層したものであり、ｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層は、ＳｉとＳｎとをｎ型ドーパントして含み、かつＩｎを等電子ドーパントとして含むことを特徴とする。
【００１９】
このようにｎ型窒化物半導体層２の少なくとも１層に、ＳｉとＳｎとＩｎとを同時にドーピングすることにより、結晶性の伸張の歪み成分と圧縮の歪み成分とが相殺し、もって結晶性を高めることができる。以下において、本発明の窒化物半導体発光素子を構成する各部を説明する。
【００２０】
（基板）
本発明において、基板１としては、サファイアのような絶縁性基板、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、ＺｎＯ等のような導電性基板を用いることができる。このような基板１は、必ずしも平面状の基板のみに限られるものではなく、基板１の表面に凹凸が形成されたものを用いてもよい。
【００２１】
（ｎ型窒化物半導体層）
本発明において、ｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層が、ＳｉとＳｎとをｎ型ドーパントして含み、かつＩｎを等電子ドーパントとして含むことを特徴とする。
【００２２】
このようにｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層がＳｉ、Ｓｎ、およびＩｎを同時にドーピングされることにより、特にＧａよりも原子半径が小さいＳｉと、Ｇａよりも原子半径が大きいＳｎとを同時にドーピングすることにより、結晶性の伸張の歪み成分と圧縮の歪み成分とが相殺し、その結晶性を高めることができる。このため、５×１０18／ｃｍ3以上の高いドーピング濃度でも、１００ｃｍ2／Ｖｓ以上の高い移動度を有するＧａＮを得ることができる。ここで、Ｓｉの原子半径は０．５４Å、Ｇａの原子半径は０．７６Å、Ｓｎの原子半径は０．８３Åである。
【００２３】
さらに、ｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層に等電子ドーパントとしてＩｎを含むことにより、空孔過飽和度を小さくする（すなわち、空孔の生成を抑える）ことができ、もって結晶性を高めることができる。
【００２４】
上記のｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層は、５×１０18／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下の原子濃度のＳｉを含むことが好ましく、５×１０17／ｃｍ3以上１×１０19／ｃｍ3以下の原子濃度のＳｎを含むことが好ましく、５×１０19／ｃｍ3以上１×１０21／ｃｍ3以下の原子濃度のＩｎを含むことが好ましい。いずれの数値範囲も上限を超えると、逆に結晶性が悪化する場合があり、下限を下回ると、結晶性を高める効果を十分に得られないため好ましくない。
【００２５】
このようなｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層は、Ｓｎの原子濃度が、Ｓｉの原子濃度よりも小さいことが好ましい。これによりｎ型窒化物半導体層２の結晶性をより高めることができる。このようなｎ型窒化物半導体層２を構成する少なくとも１層は、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａのいずれかを含む窒化物半導体であることが好ましく、より好ましくはＧａＮである。
【００２６】
上記のｎ型窒化物半導体層２上には、ｎ側電極７が形成される。ここで、ｎ型窒化物半導体層２は、ｎ側電極７とのコンタクト層であることが好ましい。このようにｎ型窒化物半導体層２がｎ側電極７とのコンタクト層であることにより、高いキャリア濃度をもってコンタクト抵抗を低減することができる。
【００２７】
かかるｎ型窒化物半導体層２は、単層であってもよいし、多層構造であってもよい。ｎ型窒化物半導体層２を多層構造とする場合、組成もしくはドーピング濃度の異なる窒化物半導体層または超格子層を積層させることが好ましい。多層構造とする場合、たとえば図１に示されるように、低温バッファ層１１、ＧａＮからなるアンドープ層１２、ＧａＮからなるｎ型高ドープ層、およびｎ型低ドープ層とすることが好ましい。ここで、ｎ型高ドープ層を第１のｎ型窒化物半導体層１３とし、ｎ型低ドープ層を第２のｎ型窒化物半導体層１４とする。
【００２８】
図１において、ｎ型窒化物半導体層２は、第１のｎ型窒化物半導体層１３と、該第１のｎ型窒化物半導体層および発光層３の間に第２のｎ型窒化物半導体層１４とを含み、該第２のｎ型窒化物半導体層１４は、第１のｎ型窒化物半導体層１３に含まれるｎ型ドーパント原子濃度よりもｎ型ドーパントの原子濃度が小さいことが好ましい。
【００２９】
このように発光層３の直下に、第１のｎ型窒化物半導体層１３に含まれるｎ型ドーパント原子濃度よりもｎ型ドーパントの原子濃度が小さい第２のｎ型窒化物半導体層１４を積層することにより、発光効率に直接寄与する発光層３の直下に結晶性の高いｎ型低ドープ層が導入され、発光効率を高めることができる。
【００３０】
また、第２のｎ型窒化物半導体層１４において、Ｓｉの原子濃度は５×１０18／ｃｍ3以下であれば下限はアンドープでもよいが、結晶性を高めるという観点からは、ＩｎおよびＭｇがドーピングされていることが好ましい。かかる第２のｎ型窒化物半導体層１４にＩｎを導入することにより、空孔過飽和度を小さくすることができ、もって結晶性を高めることができる。
【００３１】
また、第２のｎ型窒化物半導体層１４は、Ｍｇを含むことが好ましく、５×１０18／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下の原子濃度のＭｇを含むことがより好ましい。１×１０20／ｃｍ3を超えると、逆に結晶性が悪化する場合があり、５×１０18／ｃｍ3未満であると、結晶性を高める効果を十分に得られない。
【００３２】
（発光層）
本発明において、発光層３は、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａのいずれかを少なくとも含む窒化物半導体であることが好ましく、より好ましくは、ＧａＮからなる障壁層と、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層とを交互に積層させたものである。井戸層の厚さは、井戸層が発光する波長により最適な層厚は異なるが、２〜２０ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００３３】
このような発光層３の構造は、発光効率を高めるという観点から、多重量子井戸構造であることが好ましい。発光層３が複数の井戸層を含む場合、少なくとも１つの井戸層は、発光層３として機能する。かかる井戸層は、ＩｎpＧａ1-pＮ（０＜ｐ＜１）からなることが好ましい。
【００３４】
（ｐ型窒化物半導体層）
本発明において、ｐ型窒化物半導体層４は、Ａｌ、Ｉｎ、またはＧａのいずれかを含む窒化物半導体層からなるものであり、たとえばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができる。このようなｐ型窒化物半導体層４に対し、ＭｇまたはＺｎのｐ型不純物をドープしたものを用いることができる他、アンドープのものを用いてもよい。
【００３５】
このようなｐ型窒化物半導体層４は、単層であってもよいし、複数層であってもよいが、ｐ型窒化物半導体層４が複数層の場合は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよい。
【００３６】
（電流拡散層）
本発明において、電流拡散層５は、ｐ型窒化物半導体層４と接触し、透光性の電極としての機能を果たすものである。かかる電流拡散層５に用いる材料としては、特に限定することなくいかなる材料をも使用することができるが、電流拡散層５としての機能、透明性等の観点から酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：indium  tin  oxide）を用いることが好ましい。
【００３７】
（ｐ側電極およびｎ側電極）
本発明において、ｐ側電極６およびｎ側電極７は、外部に接続するために設けられるものである。このようなｐ側電極６およびｎ側電極７は、従来公知のものを採用することができ、たとえばＴｉ、Ａｌ、Ａｕ等を用いることができる。また、ｐ側電極６およびｎ側電極７は、単層に限られるものではなく、多層構造とすることもできる。
【００３８】
このようなｐ側電極６およびｎ側電極７は、ＴｉまたはＡｌのいずれか一方もしくは両方を含む金属、または該金属を含む合金からなることが好ましい。これにより窒化物半導体発光素子の動作電圧を低下させることができる。
【００３９】
上記のｎ側電極７は、フォトリソグラフィー技術を用いて、選択的にエッチングし、第２のｎ型窒化物半導体層の表面を露出させた上で、その上に形成されるものである。
【００４０】
＜実施例＞
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４１】
本実施例においては、以下の手順によって図２に示される窒化物半導体発光素子を作製する。まず、サファイア基板２１を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）装置にセットする。そして、サファイア基板２１の温度を１０００℃に設定した上で、水素雰囲気によってサーマルクリーニングを行なう。
【００４２】
次に、サファイア基板２１の温度を５００℃に設定した上で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニア（ＮＨ3）を導入することにより、２０ｎｍの厚みの低温ＧａＮバッファ層３１を成長させる。
【００４３】
そして、サファイア基板２１の温度を１０００℃に設定した上で、上記と同様にＴＭＧおよびＮＨ3を導入することにより、２μｍの厚みのアンドープＧａＮ層３２を成長させる。さらに、サファイア基板２１の温度を１０００℃に維持したまま、ＴＭＧおよびＮＨ3に加え、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、シラン（ＳｉＨ4）、テトラメチルスズ（（ＣＨ3）4Ｓｎ）を導入することにより、３μｍの厚みの高ドープｎ−ＧａＮ層３３を成長させる。
【００４４】
かかる高ドープｎ−ＧａＮ層３３は、１×１０20／ｃｍ3の濃度のＴＭＩと、２×１０19／ｃｍ3の濃度のＳｉＨ4と、２×１０18／ｃｍ3の濃度の（ＣＨ3）4Ｓｎとなるように原料の供給量を調整して導入する。以上のようにして、低温ＧａＮバッファ層３１、アンドープＧａＮ層３２、および高ドープｎ−ＧａＮ層３３とからなるｎ型窒化物半導体層２２をサファイア基板２１上に形成する。
【００４５】
そして、サファイア基板２１の温度を７００℃に下げて、ＴＭＧおよびＮＨ3を導入することにより、１０ｎｍの厚みのＧａＮ障壁層を形成する。そして、ＴＭＧおよびＮＨ3に加えてＴＭＩを導入することにより、２．５ｎｍの厚みのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層を形成する。このようにしてＧａＮ障壁層とＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層とを交互に６周期繰り返すことにより、ｎ型窒化物半導体層２２上に発光層２３を成長させる。
【００４６】
そして、サファイア基板２１の温度を９５０℃に設定し、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ3、ジシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を導入することにより、２０ｎｍの厚みのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を形成する。次に、サファイア基板２１の温度を９５０℃に維持し、ＴＭＧおよびＮＨ3を導入することにより、１００ｎｍの厚みのｐ−ＧａＮ層を形成する。以上のようにして、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層およびｐ−ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層２４を形成する。
【００４７】
その後、サファイア基板２１の温度を十分に下げてから、サファイア基板２１をＭＯＣＶＤ装置から取り出してスパッタ装置に設置する。そして、ｐ型窒化物半導体層２４上に２００ｎｍの厚みのＩＴＯからなる電流拡散層２５を形成する。
【００４８】
次に、フォトリソグラフィー技術によって、電流拡散層２５の表面から高ドープｎ−ＧａＮ層３３の表面が露出するまで反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive  ion  etching）によって選択的にエッチングを行なう。そして、上記エッチングで露出させた高ドープｎ−ＧａＮ層３３上に、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕからなるｎ側電極２７を形成するとともに、電流拡散層２５上に、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕからなるｐ側電極２６を形成する。以上のようにして図２に示される窒化物半導体発光素子を作製する。
【００４９】
このようにして作製された本実施例の窒化物半導体発光素子は、高ドープｎ−ＧａＮ層３３において、２×１０19／ｃｍ3の原子濃度のＳｉと、１×１０20／ｃｍ3の原子濃度のＩｎと、２×１０18／ｃｍ3の原子濃度のＳｎとが導入される。このため、結晶性が高い窒化物半導体となり、抵抗率を低下させることができ、窒化物半導体発光素子の動作電圧を低くすることができる。
【００５０】
本発明において上記で好適な実施形態を説明した窒化物半導体発光素子は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。
【００５１】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００５２】
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】
【００５３】
本発明によれば、高品質なｎ型窒化物半導体層を得ることができ、発光ダイオード、レーザーダイオード等の電子デバイスに応用することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１  基板、２  ｎ型窒化物半導体層、３  発光層、４  ｐ型窒化物半導体層、５  電流拡散層、６  ｐ側電極、７  ｎ側電極、１１  低温バッファ層、１２  アンドープ層、１３  第１のｎ型窒化物半導体層、１４  第２のｎ型窒化物半導体層、２１  サファイア基板、２２  ｎ型窒化物半導体層、２３  発光層、２４  ｐ型窒化物半導体層、２５  電流拡散層、２６  ｐ側電極、２７  ｎ側電極、３１  低温ＧａＮバッファ層、３２  アンドープＧａＮ層、３３  高ドープｎ−ＧａＮ層。
【図１】
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【図２】
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