(57)【要約】【課題】電流拡散効率を向上させ、光パワーを上げることができる窒化物発光素子を提供する。【解決手段】本発明の窒化物発光素子は、Ｎ型窒化物半導体層と、Ｎ型窒化物半導体層上に形成される活性層と、活性層上に形成されるＰ型窒化物半導体層と、Ｐ型窒化物半導体層内に挿入されて二次元電子ガス層を形成し、ＧａＮ層とＮ型ドーパントがドーピングされたＮ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層との異種接合構造と、を有する。【選択図】図１
2013021334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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る活性層と、
前記活性層上に形成されるＰ型窒化物半導体層と、
前記Ｐ型窒化物半導体層内に挿入されて二次元電子ガス層を形成し、ＧａＮ層とＮ型ドーパントがドーピングされたＮ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）層との異種接合構造と、を有することを特徴とする窒化物発光素子。
【請求項２】
前記Ｐ型窒化物半導体層は、
前記活性層上に形成されるＰ型クラッド層と、
前記Ｐ型クラッド層上に形成されるＰ型コンタクト層と、を含み、
前記異種接合構造は、前記Ｐ型コンタクト層内又は前記Ｐ型クラッド層内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の窒化物発光素子。
【請求項３】
前記Ｐ型コンタクト層は、
前記異種接合構造の下側に位置する第１Ｐ型コンタクト層と、
前記異種接合構造の上側に位置する第２Ｐ型コンタクト層と、を含み、
前記第１Ｐ型コンタクト層及び前記第２Ｐ型コンタクト層は、同一組成を有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物発光素子。
【請求項４】
前記Ｐ型コンタクト層は、Ｐ＋−ＧａＮで形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化物発光素子。
【請求項５】
前記異種接合構造は、ＧａＮ層とＮ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層とのうち、ＧａＮ層が、前記活性層側に位置するように形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物発光素子。
【請求項６】
前記ＧａＮ層は、ドーピングされていないアンドープＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物発光素子。
【請求項７】
前記ＧａＮ層は、５ｎｍ〜５０ｎｍの厚みに形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物発光素子。
【請求項８】
前記Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層のＮ型ドーパントは、Ｓｉであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物発光素子。
【請求項９】
前記Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層は、Ａｌの含有量が１５％〜４５％であるＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物発光素子。
【請求項１０】
前記Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層は、１０ｎｍ〜５０ｎｍの厚みに形成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の窒化物発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に係り、より詳細には、窒化物発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）は、窒化物半導体（ｎｉｔｒｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のＰＮ接合を介して、発光源を構成するものであり、多様な色の光を具現することができる半導体素子をいう。このような窒化物ＬＥＤは、短波長領域から長波長領域まで亘るので、持続的な発展を繰り返している。光素子だけではなく、電子素子においても物質的な長所を介した応用が増加している。
【０００３】
例えば、窒化物半導体で具現された青色発光ダイオードが登場し、ＬＥＤの応用範囲も広くなり、キーボード、液晶表示装置のバックライト（ｂａｃｋｌｉｇｈｔ）、信号灯、航空機、自動車、照明などの実生活の多様な分野に使われている。特に、白色発光ダイオードは、既存の白熱灯と蛍光灯とを代替する照明革命を予告している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
窒化物発光ダイオードにおいて、ｐ型半導体のドーピングに限界があるが、ターンオン電圧を低くし、電流拡散効率を向上させ、電流崩壊（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌａｐｓｅ）現象を減らすことが持続的に要求される。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、電流拡散効率を向上させ、光パワーを上げることができる窒化物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】
【０００６】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による窒化物発光素子は、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る活性層と、前記活性層上に形成されるＰ型窒化物半導体層と、前記Ｐ型窒化物半導体層内に挿入されて二次元電子ガス層を形成し、ＧａＮ層とＮ型ドーパントがドーピングされたＮ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）層との異種接合構造と、を有する。
【０００７】
前記Ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層上に形成されるＰ型クラッド層と、前記Ｐ型クラッド層上に形成されるＰ型コンタクト層と、を含み、前記異種接合構造は、前記Ｐ型コンタクト層内又は前記Ｐ型クラッド層内に設けてもよい。
前記Ｐ型コンタクト層は、前記異種接合構造の下側に位置する第１Ｐ型コンタクト層と、前記異種接合構造の上側に位置する第２Ｐ型コンタクト層と、を含み、前記第１Ｐ型コンタクト層及び前記第２Ｐ型コンタクト層は、同一組成を有してもよい。例えば、前記Ｐ型コンタクト層は、Ｐ＋−ＧａＮで形成してもよい。
前記異種接合構造は、ＧａＮ層とＮ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層とのうち、ＧａＮ層が、前記活性層側に位置するように形成してもよい。
前記ＧａＮ層は、ドーピングされていないアンドープＧａＮであってもよい。このような前記ＧａＮ層は、５ｎｍ〜５０ｎｍの厚みに形成してもよい。
前記Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層のＮ型ドーパントは、Ｓｉであってもよい。このような前記Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層は、Ａｌの含有量が１５％〜４５％のＡｌＧａＮであってもよい。Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ層は、１０ｎｍ〜５０ｎｍの厚みに形成してもよい。
【０００８】
本発明の一態様による窒化物発光素子は、Ｎ型窒化物半導体層上に設けられるＮ型電極と、Ｐ型窒化物半導体層上に設けられ、透明な導電性物質で形成されるＰ型電極と、を更に含み、前記Ｐ型電極側に光が放出される構造を有することができる。
【０００９】
本発明の他の態様による窒化物発光素子は、Ｎ型窒化物半導体層上に設けられるＮ型電極と、Ｐ型窒化物半導体層上に設けられるＰ型電極と、を更に含むエピダウン（ｅｐｉ−ｄｏｗｎ）形態の垂直型構造を有することができる。
【００１０】
本発明の更に他の態様による窒化物発光素子は、Ｎ型窒化物半導体層上に設けられるＮ型電極と、Ｐ型窒化物半導体層上に設けられるＰ型電極と、前記Ｎ型電極及び前記Ｐ型電極に電気的に連結される配線基板と、を更に含むフリップチップボンディング構造のアレイ構造を有することもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の窒化物発光素子によれば、Ｐ型窒化物半導体層内にＮ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮとＧａＮとの異種接合構造を挿入することにより、二次元電子ガス（２ＤＥＧ：２−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ）を誘導し、キャリア移動度の速い２ＤＥＧによりＰ型窒化物半導体層での電流拡散効率を向上させ、高電力印加しても電流群集現象（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｒｏｗｄｉｎｇ）が防止されて信頼性を向上させることができる。また、２ＤＥＧによってＮ＋とＰ＋とのトンネリング接合（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成され、活性層への正孔（ｈｏｌｅ）注入効率を上昇させることができて光パワーを上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による窒化物発光素子の概略的な構造を示す図面である。
【図２】図１の窒化物発光素子のエネルギーバンド・ダイヤグラムを示す図面である。
【図３】図１の窒化物発光素子の光学的特性を示すグラフである。
【図４】図１の窒化物発光素子のジュールヒーティング（Ｊｏｕｌｅ  ｈｅａｔｉｎｇ）による影響を示すグラフである。
【図５】図１の窒化物発光素子の電気的特性を示すグラフである。
【図６】図１の窒化物発光素子のＰ型コンタクト層の有無による電気的特性を示すグラフである。
【図７】図１の窒化物発光素子のＡｌＧａＮ厚による電気的特性を示すグラフである。
【図８】図１の窒化物発光素子のＧａＮ厚による電気的特性を示すグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態による垂直構造の窒化物発光素子の概略的な構造を示す図面である。
【図１０】本発明の更に他の実施形態によるフリップチップ構造のアレイの窒化物発光素子の概略的な構造を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の窒化物発光素子を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚みは、説明の明瞭性のために誇張していることがある。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態による窒化物発光素子１００の概略的な構造を示している。
【００１５】
図１を参照すると、本実施形態の窒化物発光素子１００は、基板１１０、Ｎ型窒化物半導体層１２０、活性層１３０、Ｐ型クラッド層１４０、Ｐ型コンタクト層１５０、及びＰ型コンタクト層１５０内に介在する異種接合構造１６０を含む。
【００１６】
基板１１０は、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などである。基板１１０の上面には、その上に成長させる窒化物半導体層との格子不整合（ｌａｔｔｉｃｅ  ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和させて光取り出し効率を上げるために、凹型又は凸型の凹凸パターンを形成することもできる。
【００１７】
Ｎ型窒化物半導体層１２０は、例えば、Ｎ型ドーパントがドーピングされたＧａＮ層や、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層である。基板１１０とＮ型窒化物半導体層１２０との間には、Ｎ型窒化物半導体層１２０の結晶成長のためのバッファ層（図示せず）が介在する。活性層１３０は、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重井戸構造（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）である。
【００１８】
Ｐ型クラッド層１４０は、Ｐ型ドーパントがドーピングされたＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子（ＳＬＳ：ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ）構造を有する。或いは、Ｐ型クラッド層１４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を有することもあり、Ｐ−ＧａＮ層でもある。
【００１９】
Ｐ型コンタクト層１５０は、Ｐ型ドーパントがドーピングされたＰ＋−ＧａＮ層である。Ｐ型コンタクト層１５０は、その中に異種接合構造１６０が挿入されることによって、下側の第１Ｐ型コンタクト層１５１と、上側の第２Ｐ型コンタクト層１５５とに分けられる。第１Ｐ型コンタクト層１５１と、第２Ｐ型コンタクト層１５５は、同一組成を有し得るが、それに限定されるものではない。
【００２０】
異種接合構造１６０は、Ｎ−ＡｌｘＩｎｙＧａＮ／ＧａＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）の構造を有する。具体的な一例として、異種接合構造１６０は、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅｄ）ＧａＮ層１６１と、Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５との接合構造であり得る。このような異種接合構造１６０は、Ｐ型コンタクト層１５０内に介在し、電流拡散効率と正孔注入効率とを向上させる。アンドープＧａＮ層１６１の厚みは、二次元電子ガス層（２ＤＥＧ）１６３の形成やトンネリング現象を考慮して決定され、一例として、５ｎｍ〜５０ｎｍである。より望ましくは、アンドープＧａＮ層１６１の厚みは、７ｎｍ〜１５ｎｍである。Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５は、ＡｌＧａＮ層に、ＳｉのようなＮ型ドーパントをドーピングして形成される。Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５のＡｌ含有量が増加すると、二次元電子ガス層１６３の電子密度が上昇するが、ＡｌＧａＮ層の結晶品質が阻害されるので、これを考慮して決定する。一例として、Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５は、１５〜４５％程のＡｌ含有量を有し、１０ｎｍ〜５０ｎｍ厚に形成される。より望ましくは、Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５は、１５ｎｍ〜３０ｎｍ厚に形成される。
【００２１】
図２は、本実施形態の窒化物発光素子１００のエネルギーバンド・ダイヤグラムを示している。図２を参照すると、アンドープＧａＮ層１６１は、Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５とのエネルギーバンド不連続性によって、その界面に二次元電子ガス層１６３が形成される。このような二次元電子ガス層１６３は、高いキャリア移動度を有しているので、Ｐ型コンタクト層１５０での電流拡散効率を向上させることができる。このように、電流拡散が向上することにより、高電力を印加しても電流群集現象が防止され、窒化物発光素子１００の信頼性を高めることができる。また、二次元電子ガス層１６３は、電子過剰の領域であることから、異種接合構造１６０とＰ型コンタクト層１５０との間にはＮ＋／Ｐ＋のトンネリング接合が形成され、活性層１３０への正孔注入効率を高めることができ、これにより、同じ電流密度でより高い輝度を出すことができる。
【００２２】
本実施形態で、異種接合構造１６０として、アンドープＧａＮ層１６１とＮ型ＡｌＧａＮ層１６５との接合構造を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、Ｎ型ＡｌＧａＮ層１６５との接合界面に二次元電子ガス層１６３が形成されるエネルギーバンド構造を有する範囲内で、アンドープＧａＮ層１６１の代わりに、ＧａＮに不純物がドーピングされたＧａＮ層が使われることもある。また、ＡｌＩｎＧａＮに、Ｎ型ドーパントをドーピングしたＮ−ＡｌＩｎＧａＮ層が使われることもあり、或いはＡｌＩｎＮにＮ型ドーパントをドーピングしたＮ−ＡｌＩｎＮ層が使われることもある。
【００２３】
一方、本実施形態で、Ｎ型窒化物半導体層１２０の一側には、Ｎ型電極（図示せず）が設けられ、Ｐ型コンタクト層１５０の一側には、Ｐ型電極（図示せず）が設けられる。基板１１０がＳｉＣ基板やＧａＮ基板のような伝導性基板である場合、基板１１０の裏面に、Ｎ型電極（図示せず）を設けることもできる。
【００２４】
Ｐ型電極（図示せず）は、Ｐ型コンタクト層１５０の上面全体に塗布される透明電極であり、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）やＺｎＯのような透明な導電性物質で形成される。この場合、同じ窒化物発光素子１００は、上部側に光が放出される構造になる。或いは、後述する本発明の他の実施形態である図９の窒化物発光素子２００のように、Ｎ型窒化物半導体層１２０側に光が放出されるエピダウン（ｅｐｉ−ｄｏｗｎ）形態の垂直構造状で使われ、その場合、Ｐ型電極（図示せず）は、Ａｇ、Ａｌ、それらの合金、又はそれ以外の反射性に優れる金属で形成され得る。
【００２５】
図３〜図８は、本実施形態の窒化物発光素子１００の光学的、電気的特性を示している。
【００２６】
図３〜図５で、Ｒｅｆ−ＬＥＤは、比較例の窒化物発光素子であり、Ｐ型コンタクト層であるＰ＋−ＧａＮ層内にいかなる他の層も介在していない一般的な窒化物発光素子を指し、ＧａＮ−ＬＥＤは、他の比較例の窒化物発光素子であり、Ｐ型コンタクト層であるＰ＋−ＧａＮ層にアンドープＧａＮ層だけを挿入した窒化物発光素子を指す。一方、２ＤＥＧ−ＬＥＤは、本実施形態の窒化物発光素子１００の一例であり、Ｐ型コンタクト層であるＰ＋−ＧａＮ層内部に、Ｎ−ＡｌＧａＮとアンドープＧａＮとの異種接合構造１６０（図１参照）を挿入した窒化物発光素子を指す。
【００２７】
図３は、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤのそれぞれの光学的特性を示している。
【００２８】
図３を参照すると、２０ｍＡで、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤは、それぞれ９．７、９．２、１１．４ｍＷの光パワー値を有しているが、本実施形態の窒化物発光素子１００に該当する２ＤＥＧ−ＬＥＤは、一般的な発光素子であるＲｅｆ−ＬＥＤに比べて、約１７％輝度が上昇しているということが分かる。また、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤのそれぞれは、１７．３％、１６．２％、２０．３％の外部量子効率（ＥＱＥ：ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）値を有しているが、本実施形態の窒化物発光素子１００に該当する２ＤＥＧ−ＬＥＤは、一般的な発光素子のＲｅｆ−ＬＥＤに比べて、外部量子効率が３％上昇しているということが分かる。このような輝度の上昇は、Ｐ型コンタクト層１５０内に挿入されたＮ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０によって、二次元電子ガス層１６３が形成されることにより電流拡散効率が向上し、二次元電子ガス層１６３の高い電子密度と、Ｐ型コンタクト層１５０とのトンネリング接合とによって、活性層１３０への正孔注入効率が向上することが分かる。
【００２９】
また、図３で、２００ｍＡ程の比較的高い電流密度において、本実施形態の窒化物発光素子１００に該当する２ＤＥＧ−ＬＥＤは、一般的な発光素子であるＲｅｆ−ＬＥＤに比べて、約２０％以上上昇した光パワー値を示している。これは、上述のように、Ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造１６０に生成された二次元電子ガス層１６３によって電流拡散が向上し、電子間の散乱（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が減って電流群集現象が抑制されたものと理解することができる。
【００３０】
図４は、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤのそれぞれの熱放出に対する波長の変化を示すグラフであり、ジュールヒーティング（Ｊｏｕｌｅ  ｈｅａｔｉｎｇ）による影響を示している。
【００３１】
図４を参照すると、電流が２０ｍＡから２００ｍＡに増大すると、Ｒｅｆ−ＬＥＤは、４３８ｎｍから４５２ｎｍに変化し、波長変化量が１４ｎｍに達するということが分かる。一方、２ＤＥＧ−ＬＥＤでは、４４３ｎｍから４５３ｎｍに変化し、波長変化量が１０ｎｍであり、Ｒｅｆ−ＬＥＤの波長変化量に比べて、小さいということが分かる。これは、Ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０に生成された二次元電子ガス層１６３によって、電流拡散が向上することにより電流群集現象が抑制され、これにより、熱放出が低減したものであると分かる。このように、２ＤＥＧ−ＬＥＤ、即ち本実施形態の窒化物発光素子１００は、電流拡散現象を向上させ、高出力素子でも信頼性を向上させることができる。
【００３２】
一方、図５は、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤのそれぞれの電気的特性を示している。本実施形態の窒化物発光素子１００は、Ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０がＰ型コンタクト層１５０内に挿入され、動作電流が若干上昇するか、或いは漏れ電流が増加し得る。しかし、図５を参照すると、２０ｍＡの電流値で、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤは、それぞれ３．２０Ｖ、３．２４Ｖ、及び３．２８Ｖの動作電圧を有するが、２ＤＥＧ−ＬＥＤの動作電圧とＲｅｆ−ＬＥＤの動作電圧との差は、ほぼ０．０８Ｖほどと非常に小さいということが分かる。また一方、−１０Ｖの逆電圧での漏れ電流は、Ｒｅｆ−ＬＥＤ、ＧａＮ−ＬＥＤ、及び２ＤＥＧ−ＬＥＤのそれぞれについて、−１８ｎＡ、−２０ｎＡ、−１７ｎＡを有するということが分かるが、２ＤＥＧ−ＬＥＤの漏れ電流とＲｅｆ−ＬＥＤの漏れ電流との差は、略１ｎＡ程と非常に小さいといことが分かる。従って、Ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０がＰ型コンタクト層１５０内に挿入されることによる動作電流の上昇や漏れ電流の増加は、無視してもよい。
【００３３】
図６は、本実施形態の窒化物発光素子１００において、異種接合構造１６０が挿入される位置による電気的特性を示している。図６で、２ＤＥＧ−ＬＥＤは、本実施形態の窒化物発光素子１００の一例であり、Ｐ型コンタクト層であるＰ＋−ＧａＮ層の内部にｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０（図１）を挿入し、Ｐ＋−ＧａＮ層上に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極を形成した窒化物発光素子を指す。Ｒｅｆ２−ＬＥＤは、比較例であり、Ｐ型コンタクト層であるＰ＋−ＧａＮ層とＩＴＯ電極との間に、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０（図１参照）を挿入した窒化物発光素子を指す。図６を参照すると、２ＤＥＧ−ＬＥＤでの２０ｍＡの動作電圧が３．２８Ｖであるのに比べ、Ｒｅｆ２−ＬＥＤで、約７Ｖと高く示されているということが分かる。これにより、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造がＰ＋−ＧａＮのようなＰ型コンタクト層の内部に位置することが、動作電圧を下げることができるということを確認することができる。
【００３４】
図７は、本実施形態の窒化物発光素子１００において、他層の厚みは固定し、異種接合構造のｎ−ＡｌＧａＮ層の厚みを変化させたときの電気的な特性を示している。図７を参照すると、ＡｌＧａＮ層の厚みが増大するにつれて動作電圧も上昇するということが分かる。例えば、ＡｌＧａＮ層の厚みが５０ｎｍである場合に動作電圧値が約４Ｖ以上であることが分かり、ＡｌＧａＮ層の厚みが２５ｎｍ程である場合に動作電圧は３Ｖ程であることから、ＡｌＧａＮ層の厚みが３０ｎｍより薄くなると、動作電圧値が４Ｖ以下であると予想される。一方、ＡｌＧａＮ層の厚みが過度に薄いと、動作電圧は低いが２ＤＥＧが低くなり、異種接合構造による他の肯定的効果が半減することがある。従って、ＡｌＧａＮ層の厚みを、望ましくは１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内にし、より望ましくは１５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内にすることにより、動作電圧を低くすることができる。
【００３５】
図８は、本実施形態の窒化物発光素子１００において、他層の厚みは固定し、異種接合構造のＧａＮ層の厚みを変化させたときの電気的な特性を示している。図８を参照すると、ＧａＮ層の厚みが増大するにつれて動作電圧も上昇するということが分かる。例えば、ＧａＮ層の厚みが２０ｎｍである場合、動作電圧が約４Ｖ以上であると見られる。一方、２ＤＥＧが形成される深さは略７ｎｍ程である。従って、ＧａＮ層の厚みを略７ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内とすることによって、２ＤＥＧの形成を確保し、動作電圧を低くすることができる。
【００３６】
本実施形態で、Ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造１６０は、Ｐ＋−ＧａＮのようなＰ型コンタクト層１５０内に挿入された場合を例に挙げて説明したが、Ｐ型クラッド層内に挿入可能であることは言うまでもない。
【００３７】
図９は、本発明の他の実施形態による窒化物発光素子２００の概略的な構造を示している。図９を参照すると、本実施形態の窒化物発光素子２００は、配線基板２１０に付着した窒化物エピタキシャル構造物２２０を含む垂直型構造を有する。
【００３８】
窒化物エピタキシャル構造物２２０は、上述の図１を参照した窒化物半導体構造物と位置的に順序のみ入れ替わっただけであり、実質的に同じ構造を有する。即ち、窒化物エピタキシャル構造物２２０は、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板のような成長基板（図示せず）上に、Ｎ型窒化物半導体層２２１、活性層２２２、Ｐ型クラッド層２２３、第１Ｐ型コンタクト層２２４ａ、アンドープＧａＮ層２２５ａ、Ｎ型ＡｌＧａＮ層２２５ｂ、及び第２Ｐ型コンタクト層２２４ｂが順次に形成されてなる。一方、窒化物エピタキシャル構造物２２０が形成される成長基板（図示せず）は、熱伝導を向上させるために、ＬＬＯ（ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ  ｏｆｆ）を利用して除去することができる。窒化物エピタキシャル構造物２２０の上面（図９を基準とするとき）は、光が放出される面であり、光取り出し効率を一層高めるために、基板上の凹凸構造を利用し、凹凸像を反転させることも可能である。
【００３９】
配線基板２１０は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉのような金属によって形成された導電性基板であるか、或いはＳｉ半導体基板、ＧａＡｓ半導体基板であってもよい。配線基板２１０は、Ａｕ−Ａｕ、ＡｕＳｎのような接合金属（ｂｏｎｄｉｎｇ  ｍｅｔａｌ）層２３０を介して、窒化物エピタキシャル構造物２２０に接合される。接合金属層２３０を介したウェーハ接合の代わりに、窒化物エピタキシャル構造物２２０の下面に、銅、ニッケル、クロムなどの金属で、数十μｍ厚にメッキして配線基板２１０を形成することもできる。
【００４０】
電気的連結のために、第２Ｐ型コンタクト層２２４ｂの下面（図９を基準とするとき）には、Ｐ型電極２２６が設けられて接合金属層２３０に連結され、Ｎ型窒化物半導体層２２１の少なくとも一部領域には、Ｎ型電極２２７が形成される。
【００４１】
図１〜図８を参照して説明した実施形態と同様に、アンドープＧａＮ層２２５ａとＮ型ＡｌＧａＮ層２２５ｂとの異種接合構造２２５が、第１Ｐ型コンタクト層２２４ａと第２Ｐ型コンタクト層２２４ｂとの間に介在することにより、アンドープＧａＮ層２２５ａとＮ型ＡｌＧａＮ層２２５ｂとの接合界面に隣接して二次元電子ガス層２２５ｃが形成され、これにより、電流拡散効率を向上させることができる。また、異種接合構造２２５とＰ型コンタクト層２２４との間には、Ｎ＋／Ｐ＋のトンネリング接合が形成され、活性層２２２への正孔注入効率を上げることができ、これにより、同じ電流密度でより高い輝度を出すことができる。
【００４２】
図１０は、本発明の更に他の実施形態による窒化物発光素子３００の概略的な構造を示している。
【００４３】
図１０を参照すると、本実施形態の窒化物発光素子３００は、フリップチップ型発光素子のアレイ構造を有するものであり、個別の単位発光素子は、図９を参照して説明した垂直型構造の窒化物発光素子２００と実質的に同一である。例えば、窒化物エピタキシャル構造物３２０は、上述のように、成長基板（図示せず）上に、Ｎ型窒化物半導体層２２１、活性層２２２、Ｐ型クラッド層２２３、第１Ｐ型コンタクト層２２４ａ、アンドープＧａＮ層２２５ａ、Ｎ型ＡｌＧａＮ層２２５ｂ、第２Ｐ型コンタクト層２２４ｂ、及びＰ型電極２２６が順次に形成された後、個別の窒化物発光素子に区分されるようにエッチングされて形成される。また、窒化物エピタキシャル構造物３２０が形成される成長基板（図示せず）は、除去可能である。窒化物エピタキシャル構造物３２０の上面（図１０を基準とするとき）は、光が放出される面であり、光取り出し効率を一層高めるために、基板上の凹凸構造を利用し、凹凸像を反転させることもできる。
【００４４】
Ｐ型電極２２６とＮ型電極３２７は、Ａｕ−Ａｕ、ＡｕＳｎのような接合金属層３３０を介して、配線基板３１０にウェーハ接合されて電気的に連結される。ここで、配線基板３１０は、電気的絶縁のために、Ｓｉ、ＡｌＮのような絶縁性基板上に配線回路が形成された構造を有することができる。配線のために、第２Ｐ型コンタクト層２２４ｂの下面（図１０を基準とするとき）にはＰ型電極２２６が設けられ、Ｎ型窒化物半導体層２２１の一部領域にＮ型電極３２７が設けられ、絶縁層３２８により、Ｐ型電極２２６とＮ型電極３２７は、電気的に分離される。絶縁層３２８で、配線基板３１０と対面する領域は、Ｐ型電極２２６とＮ型電極３２７とが露出するように除去される。
【００４５】
本実施形態は、窒化物エピタキシャル構造物３２０が共通しているＮ型窒化物半導体層２２１を有する場合を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。Ｎ型窒化物半導体層２２１も、配列される単位発光素子別に設けられることもある。
【００４６】
以上、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したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の窒化物発光素子は、例えば、照明関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１００、２００、３００    窒化物発光素子
１１０    基板
１２０、２２１    Ｎ型窒化物半導体層
１３０、２２２    活性層
１４０、２２３    Ｐ型クラッド層
１５０、２２４    Ｐ型コンタクト層
１５１、２２４ａ    第１Ｐ型コンタクト層
１５５、２２４ｂ    第２Ｐ型コンタクト層
１６０、２２５    異種接合構造
１６１、２２５ａ    アンドープＧａＮ層
１６３、２２５ｃ    二次元電子ガス層
１６５、２２５ｂ    Ｎ型ＡｌＧａＮ層
２１０、３１０    配線基板
２２０、３２０    窒化物エピタキシャル構造物
２２６    Ｐ型電極
２２７、３２７    Ｎ型電極
２３０、３３０    接合金属層
３２８    絶縁層
【図１】
2013021334.tif 000003
【図２】
2013021334.tif 000004
【図３】
2013021334.tif 000005
【図４】
2013021334.tif 000006
【図５】
2013021334.tif 000007
【図６】
2013021334.tif 000008
【図７】
2013021334.tif 000009
【図８】
2013021334.tif 000010
【図９】
2013021334.tif 000011
【図１０】
2013021334.tif 000012