(57)【要約】【課題】発光効率の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体発光素子は、ｎ型の第１窒化物半導体層と、ｐ型の第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層上に設けられた電極と、前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間に設けられ、複数の井戸層と、前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップが広い複数の障壁層と、を有する活性層と、前記活性層と前記第２窒化物半導体層との間に設けられ、前記活性層および前記第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが広く、前記第２窒化物半導体層よりも厚いｐ型の第３窒化物半導体層と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型の第１窒化物半導体層と、
ｐ型の第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層上に設けられた電極と、
前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間に設けられ、複数の井戸層と、前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップが広い複数の障壁層と、を有する活性層と、
前記活性層と前記第２窒化物半導体層との間に設けられ、前記活性層および前記第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが広く、前記第２窒化物半導体層よりも厚いｐ型の第３窒化物半導体層と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
前記第３窒化物半導体層の厚さは、３０ｎｍ以上である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２窒化物半導体層の厚さは、３ｎｍ以下である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第３窒化物半導体層は、ガリウム、窒素、およびアルミニウムを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記電極は、銀、ニッケル、アルミニウム、白金、およびタングステンの少なくともいずれかを含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた発光素子が広く普及し、また、発光効率を向上させるための研究および開発も引き続き進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４６６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、発光効率の高い半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、半導体発光素子は、ｎ型の第１窒化物半導体層と、ｐ型の第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層上に設けられた電極と、前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層との間に設けられ、複数の井戸層と、前記井戸層を挟み前記井戸層よりもバンドギャップが広い複数の障壁層と、を有する活性層と、前記活性層と前記第２窒化物半導体層との間に設けられ、前記活性層および前記第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが広く、前記第２窒化物半導体層よりも厚いｐ型の第３窒化物半導体層と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】（ａ）は、実施形態の半導体発光素子の一部の模式断面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の半導体発光素子の模式的なエネルギーバンド図。
【図２】図１（ｂ）のエネルギーバンド図の一部の拡大図。
【図３】実施形態の半導体発光素子の模式断面図。
【図４】（ａ）参照例の窒化物半導体積層体のシミュレーションによるエネルギーバンド図であり、（ｂ）はそのときの電子密度分布図、および（ｃ）はそのときのホール密度分布図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【０００８】
実施形態の半導体発光素子は、窒化物半導体の積層体を有する。本明細書において、窒化物半導体は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される。なお、導電型を制御するために添加される不純物を含むものも窒化物半導体に含まれるものとする。また、ｐ型の層はｐ型不純物を含む層を表し、ｎ型の層はｎ型不純物を含む層を表す。
【０００９】
図１（ａ）は、実施形態の半導体発光素子における窒化物半導体を含む積層体の模式断面図である。  
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す積層体の熱平衡状態（バイアス電圧が０Ｖ）における、ピエゾ効果を省略した模式的なエネルギーバンド図である。
【００１０】
図１（ａ）に示す積層体は、ｎ型の第１窒化物半導体層２０と、ｐ型の第２窒化物半導体層４０と、活性層３０と、ｐ型の第３窒化物半導体層４１と、電極３とを有する。
【００１１】
第１窒化物半導体層２０、活性層３０、第３窒化物半導体層４１、および第２窒化物半導体層４０は、図示しない基板上にエピタキシャル成長される。
【００１２】
第１窒化物半導体層２０は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、所謂ｐｎ接合の順バイアス時に活性層３０に電子を供給する。第３窒化物半導体層４１は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層であり、所謂ｐｎ接合の順バイアス時に活性層３０にホールを供給する。ＩｎＡｌＧａＮ系窒化物半導体は、正孔の有効質量が比較的大きく、電子の有効質量が非常に小さいため、活性層３０に供給されたキャリアのうち電子がオーバーフローにより損失し易い。第３窒化物半導体層４１は、活性層３０から第２窒化物半導体層４０側への電子のオーバーフローを抑制する。
【００１３】
活性層３０は、複数の井戸層３１と複数の障壁層３２が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum well）構造を有する。井戸層３１と障壁層３２の積層数は、任意であり、井戸層３１が１つの単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum well）構造でも構わない。
【００１４】
井戸層３１は、第１窒化物半導体層２０および第２窒化物半導体層４０よりもバンドギャップが狭い。障壁層３２は、井戸層３１を積層体の積層方向に挟んでおり、井戸層３１よりもバンドギャップが広い。
【００１５】
井戸層３１は、例えば、アンドープのＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む。障壁層３２は、例えば、アンドープのＧａＮを含み、Ｉｎを実質的に含まない。または、障壁層３２は、井戸層３１よりも低い組成比でＩｎを含む。または、障壁層３２は、例えば、アンドープのＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜y＜１）を含む。活性層３０から放出される光のピーク波長は、例えば３６０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。
【００１６】
ここで、アンドープとは、結晶成長の際に不純物を意図的に入れていないことを表す。逆に、ｎ型またはｐ型と記述している場合は意図的に導電型を制御する不純物をドープすることを指すものとする。
【００１７】
第３窒化物半導体層４１は活性層３０側の面と、活性層３０の反対側の面をもち、その反対側の面に第２窒化物半導体層４０が設けられている。第２窒化物半導体層４０は、第３窒化物半導体層４１に接している。第２窒化物半導体層４０は、第３窒化物半導体層４１よりもバンドギャップが狭く、例えば、ｐ型ＧａＮ層である。
【００１８】
第３窒化物半導体層４１の厚さは、第２窒化物半導体層４０の厚さよりも厚い。例えば、第３窒化物半導体層４１の厚さは３０ｎｍ以上であり、第２窒化物半導体層４０の厚さは３ｎｍ以下である。
【００１９】
第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０との界面の反対側における第２窒化物半導体層４０上に、ｐ側電極３が設けられている。ｐ側電極３は、第２窒化物半導体層４０に接している。
【００２０】
ここで、図４（ａ）は、一般的に用いられている窒化物半導体積層体の順バイアス状態におけるエネルギーバンド図を参照例として示したものである。図４（ａ）には電子の擬フェルミレベルおよびホールの擬フェルミレベルを１点鎖線で示している。
【００２１】
図４（ａ）は、ピエゾ効果も取り入れてシミュレーションした結果を表す。  
図４（ｂ）はそのときの電子密度の分布を、図４（ｃ）はそのときのホール密度の分布を表す。
【００２２】
参照例の積層体では、第３窒化物半導体層４１は第２窒化物半導体層４０よりも薄く、第２窒化物半導体層４０は第３窒化物半導体層４１よりも厚い。
【００２３】
この参照例の積層体において、第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０がｐ型ドーピングによりホール擬フェルミ準位近くに持上げられ、第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０のヘテロ界面および該ヘテロ界面に接する第２窒化物半導体層４０の一部がホール擬フェルミ準位を突き抜けて高密度のホール蓄積領域を形成する。
【００２４】
そして、キャリア注入のための順方向バイアス時に、電荷中性則を保つため、その高密度ホール蓄積領域に向かって電子が引き寄せられ、活性層３０の第３窒化物半導体層４１に接する障壁層３２に過剰に電子が集中し、その電荷がｎ型ドーピングと同等の効果となって、活性層３０の第３窒化物半導体層４１に接する障壁層３２のバンドを電子擬フェルミ準位側に引き寄せるように変形させる。
【００２５】
結果、活性層３０の第３窒化物半導体層４１に接する障壁層３２に電子の過剰集中が加速する。この電子集中により、電子密度の３乗に比例するオージェ効果（非発光キャリア再結合）が加速され、ドループ現象を加速させる。ドループ現象は、注入電流を大きくするほど発光効率が低下する現象である。
【００２６】
これに対して、図１（ａ）及び（ｂ）に示す実施形態によれば、第３窒化物半導体層４１を厚くし、第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０との界面を活性層３０から離している。すなわち、第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０との界面における価電子帯頂上のバンド不連続ステップに蓄積する高密度ホール領域を活性層３０から離している。
【００２７】
高密度ホール蓄積領域が活性層３０から離れることで、活性層３０と第３窒化物半導体層４１との界面への電子の過剰集中を抑制でき、オージェ効果によるドループ現象を緩和することができる。即ち、高電流注入領域での発光効率を大幅に改善可能にする。
【００２８】
活性層３０と第３窒化物半導体層４１との界面への電子の過剰集中を抑制するために、高密度ホール蓄積領域は活性層３０から３０ｎｍ以上離れることが望ましく、したがって、第３窒化物半導体層４１の厚さは３０ｎｍ以上が望ましい。第３窒化物半導体層４１の厚さの上限は、エピタキシャル成長による良好な結晶品質を保てる範囲内に設定することができる。
【００２９】
図２は、図１（ｂ）のエネルギーバンド図の一部の拡大図である。ホールの擬フェルミレベルを１点鎖線で示している。また、図４（ａ）に示す参照例の第２窒化物半導体層４０のエネルギーバンドを破線で示している。
【００３０】
第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０との界面の高密度ホール蓄積領域は、第２窒化物半導体層４０を十分薄く形成することで、第２窒化物半導体層４０にｐ型不純物を高濃度ドーピングしたｐ＋層と同等に機能する。即ち、第２窒化物半導体層４０を実際には形成が難しい高濃度なｐ＋型窒化物半導体層と同等化することができ、低抵抗なｐ＋型コンタクト層して機能させることができる。
【００３１】
また、第３窒化物半導体層４１と第２窒化物半導体層４０との界面の高密度ホール蓄積領域と、第２窒化物半導体層４０の薄膜化により、第２窒化物半導体層４０とｐ側電極３との間の障壁幅（空乏層）を、破線で示す参照例に比べて狭くできる。これは、第３窒化物半導体層４１とｐ側電極３との間の電子のトンネル確率を高くする。そのために、第２窒化物半導体層４０の厚さは３ｎｍ以下が望ましい。
このような、高密度ホール蓄積領域によるｐ＋型コンタクト層と、障壁幅の狭小化によるトンネル確率の向上により、ｐ型窒化物半導体層と電極３との接触抵抗およびショットキー電位を低減することができる。これは、ｐ側電極３とｐ型窒化物半導体の接合での電圧損を低減し、素子全体の電力効率向上に寄与する。
【００３２】
図３は、実施形態の半導体発光素子の模式断面図である。図３には、半導体発光素子の一例として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を示す。
【００３３】
実施形態の半導体発光素子は、窒化物半導体層１０を有する。窒化物半導体層１０は、前述した図１（ａ）に示す積層体を含む。
【００３４】
窒化物半導体層１０は、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法、またはＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法によって、基板１上に形成される。基板１は、例えば、シリコン基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板を用いることができる。
【００３５】
また、窒化物半導体層１０は、図１（ａ）に示す層以外に、基板１と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和するバッファ層などを含むことができる。また、第１窒化物半導体層２０と基板１との間に、ＳＬＳ（strained layer super lattice）バッファ層を形成して格子欠陥の低減化を図ることでもよい。
【００３６】
窒化物半導体層１０は、基板１の反対側に、ｐ型層の面１０ｐと、ｎ型層の面１０ｎとを有する。ｎ型層の面１０ｎ上にはｎ側電極２が設けられている。ｐ型層の面１０ｐは、図１（ａ）に示す第２窒化物半導体層４０の表面に対応する。そのｐ型層の面１０ｐ上にｐ側電極３が設けられている。ｐ側電極３上にはｐ側電極パッド４が設けられている。
【００３７】
ｐ側電極３は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極である。または、ｐ側電極３は、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、およびタングステン（Ｗ）の少なくともいずれかを含む。
【００３８】
基板１はそのまま残すことでも、除去することでも構わない。前者の場合には、ｐ側電極３を透明電極とすることが望ましく、後者の場合には、ｐ側電極３を例えばＡｇとして基板を除去した面から光を取り出すことでも構わない。また、後者の場合、ｎ側電極を基板を除去した面に設けることでも構わなく、ｎ側電極として透明電極を形成してｎ電極パッド２を部分的に設ける構成としてもよい。
【００３９】
前述した実施形態の窒化物半導体積層体を含むＬＥＤは高い発光効率を有する。または、実施形態の窒化物半導体積層体は、ＬＥＤに限らず、ＬＤ（Laser Diode）にも適用可能である。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１…基板、２…ｎ側電極、３…ｐ側電極、４…ｐ側電極パッド、１０…窒化物半導体積層体、２０…第１窒化物半導体層、３０…活性層、３１…井戸層、３２…障壁層、４０…第２窒化物半導体層、４１…第３窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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