(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性結晶基板上に緩衝層を介して、複数の結晶層から成るｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体クラッド層が設けられ、その上に主体相と従属相とでインジウム組成比が相違する複数の相からなるｎ形ＩＩＩ族化合物半導体発光層が設けられ、且つ、ｎ形クラッド層に接触してｎ形オーミック電極を備えたｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の窒化物半導体発光素子において、上記のｎ形クラッド層がキャリア濃度を相違する第１から第３の少なくとも３層のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体導電層からなり、第１の層は基板上の緩衝層に接して設けられ、第２の層は第１の層に接して設けられて、第１の層よりもキャリア濃度が大きく、層厚が小さく、低抵抗であり、第３の層は、第２の層に接して設けられて、第２のｎ形導電層よりもキャリア濃度を小とし、第１の層と同一の組成とし、且つ同一の層厚であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
上記の第１のｎ形導電層が、上記の第３のｎ形導電層よりもキャリア濃度を小とするアンドープのｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
上記の第２のｎ形導電層が、キャリア濃度を５×１０18ｃｍ-3以上、２×１０20ｃｍ-3以下とし、層厚を３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とするｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成されていることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
上記の第３のｎ形導電層は、その上に堆積する上記のｎ形発光層の主体相との伝導帯側バンド不連続性が０ｅＶ以上０．２ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
上記のｎ形オーミック電極が、上記の第１若しくは第２のｎ形導電層に接触して設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は短波長可視光或いは紫外光を放射できる窒化物半導体発光素子において、発光領域（面積）を拡張させ、高い発光強度を得るための素子構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤橙色帯から紫外帯の短波長光を発光する窒化物半導体発光素子においては、発光部はｐｎ接合型のダブルヘテロ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）接合構造から構成されるのが一般的である（特開平６−２６０２８３号公報）。発光層は実用上、ｎ形の窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎ1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から構成され（特公昭５５−３８３４号公報）、インジウム組成比（１−Ｙ）の調整により、約３６０ｎｍから約５６０ｎｍの近紫外帯から短波長可視光帯に至る発光が得られる。
【０００３】
発光層には、インジウム組成が均一で単一層のｎ形のＧａYＩｎ1-YＮや（特開平９−３６４３０号公報）、インジウム濃度を相違する複数の相（ｄｏｍａｉｎまたはｐｈａｓｅ）から成る多相構造のＧａYＩｎ1-YＮ（０≦Ｙ≦１）が知られている（特開平１０−５６２０２号公報）。多相構造とは、空間的に多くの領域を占有する主体相（ｍａｔｒｉｘ  ｐｈａｓｅ）と主体相内に従属的に存在する従属相とからなる混合体であると換言される。ＧａYＩｎ1-YＮは元来、相分離を起こし易い材料であり、従って多相構造のＧａYＩｎ1-YＮが形成され易く、成膜が容易であるという利点がある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７０（８）（１９９７）、９８１〜９８３頁参照）。
【０００４】
発光ダイオード（ＬＥＤ）或いはレーザダイオード（ＬＤ）等の実用に至っているＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、発光層は絶縁性のサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板上に設けたＩＩＩ族窒化物半導体層からなるｎ形クラッド層上に設けられるのが一般的である。また、ｎ形クラッド層は、従来より窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａ1-XＮ：０≦Ｘ≦１）から構成され（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３２（１９９３）、Ｌ８〜Ｌ１１頁参照）、例えば、珪素などのｎ形不純物をドーピングしたｎ形窒化ガリウムが開示されている（特許第２６２３４６６号公報）。
【０００５】
発光層のおおむね全域に素子動作電流を拡散させ、発光面積の拡張を促してＬＥＤの高輝度化をはかるために、最近では、ｎ形クラッド層を複数のＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する例が知られている（米国特許ＵＳ５，７２９，０２９号公報）。この例では、キャリア濃度を相違する３層の重層構成からｎ形クラッド層が構成されている。また別の例では、発光層との接合面に向けて順次、禁止帯幅（バンドギャップ）が小となる様に、インジウム組成に勾配を付したインジウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層からｎ形クラッド層が構成されている（特開平１０−２２３９８３号公報）。これらはｎ形クラッド層と発光層との間の障壁を低減して、順方向電圧の印可時に、キャリア（電子）を効率よく放射再結合させることを意図したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来より行われているｎ形クラッド層を複数のＩＩＩ族化合物半導体結晶層から構成する方法では、結晶成長の観点より連続性に優れるｎ形クラッド層を得るのが難しく、このため構成層が備えるべき電気的特性が不十分で、素子動作電流を、発光層のおおむね全域に流すことが困難であった。
【０００７】
また、サファイア等の絶縁性結晶基板上に設けた積層構造体から発光素子を構成する場合、正負双方のオーミック電極は基板の同一主面側に設けた積層構造体の構成層上に設けることが必要となるが、この場合、動作電流がこの双方のオーミック電極間の最短距離を縫って流れ、発光面積が電極の周辺のわずかな領域に限定されてしまい、発光面積が充分に得られないという問題点がある。
【０００８】
さらに、下部クラッド層を発光層との接合面に向けて順次、インジウム組成比が大きくなるよう構成する方法の問題点としては、例えば、発光層がインジウムを殆ど含まないＩＩＩ族窒化物半導体層を主体相とする多相構造から成る場合に、主体相よりもインジウム組成比を大とするインジウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体層が発光層とｎ形クラッド層との中間に配置され、主体相よりも禁止帯幅を小とする領域が発光層とｎ形クラッド層間に生じ、この部分では、ｎ形クラッド層側から発光層へ流入する電子が捕獲され、順方向電圧の低減に支障を来す場合がある。
【０００９】
この様な従来技術の問題点を解決するためには、主に次の２つの課題につき解決をする必要がある。（１）発光層のおおむね全域に素子動作電流を拡散させるｎ形クラッド層の積層構成を明らかにする。（２）電子論的に観て、多相構造の発光層であっても、発光層へキャリア（電子）を流入させるに都合の良いｎ形クラッド層の構成を明らかにする。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決して、ｎ形クラッド層により発光面積が拡張され、且つ、このｎ形クラッド層の適切な位置にオーミック電極を設けてなる、高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の問題点を解決すべく鋭意研究を行ったところ以下の結論に達した。すなわち、
［１］絶縁性結晶基板上に緩衝層を介して、複数の結晶層から成るｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体クラッド層が設けられ、その上に主体相と従属相とでインジウム組成比が相違する複数の相からなるｎ形ＩＩＩ族化合物半導体発光層が設けられ、且つ、ｎ形クラッド層に接触してｎ形オーミック電極を備えたｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の窒化物半導体発光素子において、上記のｎ形クラッド層がキャリア濃度を相違する第１から第３の少なくとも３層のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体導電層からなり、第１の層は基板上の緩衝層に接して設けられ、第２の層は第１の層に接して設けられて、第１の層よりもキャリア濃度が大きく、層厚が小さく、低抵抗であり、第３の層は、第２の層の上に設けられて、第２のｎ形導電層よりもキャリア濃度を小とし、且つ層厚を大とすることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、
［２］上記の第１のｎ形導電層が、上記の第３のｎ形導電層よりもキャリア濃度を小とするアンドープのｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成されていることを特徴とする［１］に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、
［３］上記の第２のｎ形導電層が、キャリア濃度を５×１０18ｃｍ-3以上、２×１０20ｃｍ-3以下とし、層厚を３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とするｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成されていることを特徴とする［１］または［２］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、
［４］上記の第３のｎ形導電層が、その上に堆積する上記のｎ形発光層の主体相との伝導帯側バンド不連続性を０ｅＶ以上０．２ｅＶ以下とすることを特徴とする［１］乃至［３］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、
［５］上記のｎ形オーミック電極が、上記の第１若しくは第２のｎ形導電層に接触して設けられていることを特徴とする［１］乃至［４］の何れかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、により上述の問題点を解決した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明における３層のＩＩＩ族窒化物半導体層からなるｎ形クラッド層１０の構成を概念的に示す図である。
【００１３】
本発明の第１の実施形態であるｎ形クラッド層１０は、基板結晶１上に設けた緩衝層２を介して、積層された少なくとも３つのｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層３〜５から構成する。結晶基板１の表面上に直接、ｎ形クラッド層１０を積層する手段もあるが、本発明ではＩＩＩ族窒化物半導体層３〜５の表面の平坦性及び連続性を改善するために、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａ1-XＮ：０≦Ｘ≦１）等から構成される低温緩衝層２にｎ形クラッド層１０を設ける。ここで結晶基板１の表面上に設けたＩＩＩ族窒化物半導体からなる低温緩衝層２に接合させて配置した第１のｎ形導電層３、第２のｎ形導電層４、さら第３のｎ形導電層５が設けられ、第３のｎ形導電層５上には、ｎ形の発光層６が設けられている。
【００１４】
ｎ形クラッド層１０を構成するｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層３〜５は、ｎ形窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌXＧａYＩｎ1-X-YＮ：０≦Ｘ＋Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）から構成できる。また、砒素やリンなどの窒素以外の第Ｖ族元素を含む一般式ＡｌXＧａYＩｎ1-X-YＮ1-aＭa（０≦Ｘ＋Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０＜ａ≦１）で表記されるｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層からも構成できる。ｎ形クラッド層１０をなす積層構成例の一例を挙げれば、サファイア基板１上に窒化ガリウム低温緩衝層２を介して、キャリア濃度を異にする、少なくとも第１乃至第３の３層３〜５をなすＧａＮ層を積層して構成する。第１乃至第３のｎ形導電層３〜５は、必ずしも同一材料、同一組成のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体から構成する必要はない。例えば、第１のｎ形導電層をｎ形ＧａＮから構成し、第２及び第３のｎ形導電層をＧａYＩｎ1-YＮ（０＜Ｙ≦１）から構成できる。発光層６は、例えば、ｎ形の窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎ1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から構成される。
【００１５】
本発明のｎ形クラッド層１０の構成上の特徴は、第２のｎ形導電層４のキャリア濃度が第１及び第２のｎ形導電層３、５に比較して高く、且つ、第２の導電層４が図５に掲示する如く、第１及び第２のｎ形導電層３、５の中間に配置されていることにある。ｎ形クラッド層１０を例えば、４層或いは５層から構成する場合に、本発明の第２のｎ形導電層４に相当する高キャリア濃度層は、それよりも低キャリア濃度の第１乃至第４あるいは第５のｎ形導電層に必ずはさまれる構成とする。即ち、発光層６に直接、高キャリア濃度のｎ形導電層４を接合させない積層構成とする。
【００１６】
本発明の第２の実施形態に係わる構成を図５に示す積層構成をもって説明する。第２の実施形態に係わる積層構成では、第３のｎ形導電層５、即ち発光層６と接合するｎ形導電層のキャリア濃度を、第１のｎ形導電層３のそれを越えるものとする。第３のｎ形導電層５を、電子を発光層６へ都合良く広範囲に拡散させるための電流拡散層として利用するためである。従って、電流拡散の作用を充分に発揮させるために、第３のｎ形導電層５の層厚は約０．５μｍ〜約１０μｍであり、好ましくは、約２μｍ〜約５μｍの範囲である。層厚がこの好適な範囲内である場合、キャリア濃度は概ね、５×１０17ｃｍ-3以上で５×１０18ｃｍ-3以下程度とする。上記の様な比較的に厚い層厚の範囲では、高キャリア濃度を得るために、高濃度の不純物ドーピングを施すと、結晶層に亀裂の発生して連続性が悪くなり、また表面モフォロジー（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）も悪化する。
【００１７】
また、第２の実施形態では、第１のｎ形導電層３、即ち、緩衝層２と接合をなすｎ形導電層を、不純物を故意に添加しないアンドープのｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する。これは緩衝層２の表面上に不純物をドーピングしたＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積すると、添加する不純物（ドーパント）が緩衝層２の内部に浸透して、緩衝層２に亀裂を発生させ、結果的に第１のｎ形導電層３が不連続な層となるためである。不純物を故意に添加していない、キャリア濃度がおおよそ１×１０17ｃｍ-3程度のアンドープ層であれば、緩衝層２に亀裂を発生させることなく、連続性に優れる第１の緩衝層３を得ることができる。第１のｎ形導電層３の適する層厚は、第３のｎ形導電層５の層厚と同程度の約０．５μｍ〜約１０μｍ、好ましくは約２μｍ〜約５μｍである。特に、第２のｎ形導電層４を挟持する第１及び第３のｎ形導電層３、５の層厚を略同一とすると、第２のｎ形導電層２の両側から加わる歪量を略同等とでき、第２のｎ形導電層４の内部の歪が均質となり、動作電流の通流に好都合である。
【００１８】
本発明の第３の実施形態では、ｎ形導電層がキャリア濃度と層厚とが規定された高キャリア濃度で低抵抗のＩＩＩ族窒化物半導体で構成されている。この低抵抗のｎ形導電層は、ｎ形オーミック電極から供給される電子を発光層６の底部下方に於いて、平面的に拡散させるために配置するものである。例えば、図５に示すｎ形クラッド層１０を構成する積層系に於いて、第２のｎ形導電層４を、キャリア濃度を５×１０18ｃｍ-3以上で２×１０20ｃｍ-3以下とし、且つ層厚を３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする低抵抗のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層から構成する。
【００１９】
この様な高キャリア濃度層は通常、珪素や錫等のｎ形不純物のドーピングにより得られる。過大な量の不純物をドーピングした場合、層厚が厚くする程、ｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面モフォロジーの劣化が顕著となる。このためキャリア濃度を大とするｎ形導電層では層厚を薄くするのが好ましい。一例を挙げれば、キャリア濃度が約１×１０20ｃｍ-3である低抵抗のｎ形導電層の層厚は、最大でも約２０ｎｍの薄層とするのが好ましい。層の連続性が確保される３ｎｍ程度の極薄膜であっても、キャリア濃度が約１×１０20ｃｍ-3を越える高キャリア濃度層であれば、ｎ形オーミック電極から供給される電子を発光層の底面のおおむね全面に充分に拡散できる。
【００２０】
ｎ形クラッド層から発光層へキャリアを障害なく流入させるために重要なのは、発光層とｎ形クラッド層との中間にキャリアを捕獲するバンド（ｂａｎｄ）の凹部（低ポテンシャル領域）を発生させないことである。
【００２１】
従って、本発明の第４の実施形態では、多相構造の発光層を構成する主体相に対して、バンドの不連続量（オフセット量）が規定されたｎ形クラッド層の最表層を構成要件として含むものである。図５のｎ形クラッド層１０の構成を例にして説明すれば、第３の導電層５を、発光層６を構成する主体相とのバンドの不連続量を規定して構成する。
【００２２】
多相構造のインジウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層とは、インジウム組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ或いはｄｏｍａｉｎ）から構成される発光層である。多相構造発光層にあって、主体相（ｍａｔｒｉｘ  ｐｈａｓｅ）とは、その多相構造発光層の空間（体積）的に大部分を占有する、発光層を主体的に構成する層である。主体相の内部に従属的に散在する相をここでは、従属相（ｓｕｂ−ｐｈａｓｅ）と仮称する。従属相は一般には、微結晶体をなして存在する場合が多い。主体相と従属相とではインジウム組成が相違し、通常、従属相は主体相よりも高いインジウム組成をもっている。よって、主体相を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料は、平均的に表されるインジウム組成比よりも小さな組成比を有しているのが通例である。インジウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体にあって、インジウム組成が高くなれば、禁止帯幅は減少する（特公昭５５−３８３４号参照）。従って、従属相は一般には、主体相よりも小さな禁止帯幅を保有している。このため、従属相を基準としてある程度の大きさのオフセット（ｏｆｆ−ｓｅｔ）量を顕現する禁止帯幅の材料を選定したところで、主体相を構成する材料の禁止帯幅を上回るものとなるとは限らない。即ち、バンド構成に於いて、多相構造発光層とｎ形クラッド層間にバンドの凹部を発生させないためには、主体相の構成材料を基準としてｎ形クラッド層の最表層（図５にあっては、第３のｎ形導電層５）を構成する材料を選定する必要がある。
【００２３】
本発明の第４の実施形態では、主体相に対して伝導帯側のバンド不連続量を０ｅＶ以上で０．２ｅＶ以下とするｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ形導電層からｎ形クラッド層の最表層を構成している。バンド不連続性が０ｅＶであることは、発光層を構成する主体相とｎ形クラッド層の最表層とがホモ（ｈｏｍｏ）接合であることを意味する。ホモ接合であれば、少なくとも電子の発光層への流入を妨げる低ポテンシャル部の発生を回避できる。一方、オフセット量を大とすれば、ヘテロ（ｈｅｔｅｒｏ）接合構造を構成するには都合が良いが、障壁の高さが大きくなり、発光層のおおむね全面にキャリア（電子）を充分に拡散するのに支障を来す。適度な障壁の高さのもとで都合良く素子動作電流の拡散が果たせるのは、伝導帯側のオフセットにして０．２ｅＶ以下である。
【００２４】
また、本発明の第５の実施形態では、ｎ形のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極をｎ形クラッド層に設置するにあたり、ｎ形オーミック電極を上記の第１若しくは第２のｎ形導電層に接触して設ける。即ち、ｎ形オーミック電極を、高キャリア濃度の低抵抗のｎ形導電層上に設けるか、その低抵抗導電層の下方に在るｎ形導電層上に設ける。上記の如く、低抵抗のｎ形導電層は、キャリア（電子）を平面的に拡散させるために配置する低抵抗層であり、電子の供給源たるｎ形オーミック電極は、この低抵抗層に設けるのが好都合である。また、低抵抗のｎ形導電層の下方に在るｎ形導電層にｎ形オーミック電極を設けることとすれば、低抵抗のｎ形導電層の下方からキャリア（電子）を低抵抗層に供給し動作電流の拡散は達成される。図６に示した積層構成からなるｎ形クラッド層１０を基に説明すれば、第１のｎ形導電層３上に設けたｎ形オーミック電極７から供給される電子ｅは、第２のｎ形導電層４の低抵抗性によって平面的に拡散され、更にその上層である第３のｎ形導電層５が第２のｎ形導電層４より層厚を大としているために、その層厚の大きさを利用して、第２のｎ形導電層４より注入された電子ｅは発光層６のおおむね全面に拡散することとなる。ｎ形導電層３〜５の内部での、この電子ｅの流通の様子を模式的に図６に示す。ｎ形オーミック電極を低抵抗のｎ形導電層上のｎ形導電層（図５にあっては、ｎ形導電層５）上に敷設した場合は、電極より注入される電子が低抵抗のｎ形導電層２内を都合良く通過するに至らないため、動作電流の拡散は充分に達成されないものとなる。
【００２５】
ｎ形クラッド層を構成する上記のｎ形導電層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）或いはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）気相成長法（ＶＰＥ法）や有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、或いは分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）などの気相成長法等により形成できる。高キャリア濃度のｎ形導電層を得るには、ｎ形不純物をドーピングするのが得策であり、キャリア濃度はそのドーピング量の増減により調整できる。ＩＩＩ族窒化物半導体に対するｎ形不純物としては、元素周期律の第ＩＶ族に属する珪素や錫及び第ＶＩ族の硫黄やセレン等が利用できる。ｎ形導電層の層厚は、主にＩＩＩ族元素原料の成長反応系への供給量の調節、或いは一定の成長速度の基での成長時間の調整により制御できる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の構成のＬＥＤの作製を例にして本発明を具体的に説明する。図１に本実施例１に記載の積層構造体から構成したＬＥＤの平面構造を模式的に示す。また、図２は、図１の破線Ａ−Ａ’に沿ったＬＥＤの中央部の断面構造を示す模式図である。
【００２７】
積層構造体２０は、絶縁性のサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3単結晶）を基板１０１として構成してある。サファイア基板１０１の（０００１）表面上には、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）とアンモニアを原料とする常圧ＭＯＣＶＤ法により、４３０℃でアンドープのＧａＮからなる緩衝層１０２を堆積した。
【００２８】
ＧａＮ緩衝層１０２の上に、上記の常圧ＭＯＣＶＤ反応系により、キャリア濃度を約１×１０17ｃｍ-3とするアンドープの第１のｎ形ＧａＮ導電層１０３ａとして堆積した。第１のｎ形導電層１０３ａは１０５０℃で成膜し、層厚は１．４μｍとした。
【００２９】
第１のｎ形導電層１０３ａ上には、第２のｎ形導電層１０３ｂとして、ジシランガス（体積濃度約１０ｐｐｍ、水素希釈）を用いてＳｉを高濃度にドーピングした、キャリア濃度が約８×１０18ｃｍ-3のｎ形Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ層を積層した。このＳｉをドーピングした高キャリア濃度で且つ低抵抗のｎ形導電層１０３ｂの層厚は約１２ｎｍとした。
【００３０】
引き続いて、第２のｎ形導電層１０３ｂ上には、Ｓｉのドーピングにより、キャリア濃度を約３×１０18ｃｍ-3に調節したｎ形ＧａＮからなる第３のｎ形導電層１０３ｃを堆積した。第３のｎ形導電層１０３ｃのキャリア濃度は、第１のｎ形導電層１０３ａよりも１桁強高くし、また膜厚は第１のｎ形導電層１０３ａの層厚と略同一の約１．５μｍとした。以上、キャリア濃度を相違する３層のｎ形導電層１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃよりｎ形クラッド層１０３を構成した。
【００３１】
ｎクラッド層１０３上には、インジウムの平均的な組成比を約０．１５とするｎ形のＧａＩｎＮからなる多相構造の発光層１０４を積層させた。多相構造発光層１０４を主体的に構成する主体相は、組成分析機能を備えた分析電子顕微鏡観察法により、Ｇａ0.94Ｉｎ0.06Ｎから構成されるものと判断された。このｎ形発光層１０４のキャリア濃度は、約２×１０18ｃｍ-3とした。主体相の層厚は約６ｎｍであり、主体相の層厚が発光層１０４の層厚とおおむね等しくなっている。
【００３２】
多相構造から成る発光層１０４上には直接、ｐ形の上部クラッド層１０５、Ｍｇドープｐ形ＡｌXＧａ1-XＮ層（Ｘ＝０．１２〜０、層厚＝３００ｎｍ、キャリア濃度＝２×１０17ｃｍ-3）を接合させた。このｐ形クラッド層１０５は、発光層１０４との接合界面でＡｌ組成を０．１２とし、表面で０となる様に勾配を付した。
【００３３】
積層構造体２０に、一般的なフォトリソグラフィー技術に依るパターニング技術と、アルゴン（Ａｒ）／メタン（ＣＨ4）／水素（Ｈ2）混合ガスを利用したプラズマエッチング技術などを利用して素子（チップ）化のための加工を施し、一辺が約３２０μｍのおおむね正方形のＬＥＤ３０を作製した。ＬＥＤ３０を構成するためのｐ形オーミック電極１０７は、ｐ形クラッド層１０５の表面に接する側を金・亜鉛合金（Ａｕ９５重量％・Ｚｎ５重量％）で構成し、上層をＡｕで構成した２層構造の台座電極１０７ａと導電性の窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜からなる透光性電極１０７ｂとから構成してある。ｎ形オーミック電極１０６は、プラズマエッチング加工により上部を削除して露呈させ、下部クラッド層１０３の第１のｎ形導電層１０３ａに接触させて設置した。ｎ形オーミック台座電極１０６はアルミニウムから構成した。
【００３４】
ＬＥＤ２０の両電極間に順方向に２０ｍＡの動作電流を通流して、中心の発光波長を４４０ｎｍとする青色発光を得た。また、主たる発光スペクトルに付随する従属的なスペクトルの出現は認められず、このため、スペクトルの半値幅は約１２ｎｍと良好であった。また、青色発光を呈する領域は、上記のエッチング加工後に残存させた面積を約４×１０-4ｃｍ-2とする発光層のおおむね全面に行き渡るものとなった。この発光領域の拡大により、一般の積分球で測光される発光強度は、チップ状態で約２１マイクロワット（μＷ）であり、高輝度の短波長ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供されるものとなった。
【００３５】
（実施例２）
図２のように実施例１に記載の緩衝層１０２上に、キャリア濃度を約８×１０16ｃｍ-3とするアンドープのｎ形Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ（層厚＝１．５μｍ）を、第１のｎ形導電層１０３ａとして堆積した。第１のｎ形導電層１０３ａ上には、モノシラン（ＳｉＨ4）（体積濃度約２５ｐｐｍ）−水素混合ガスを原料として、キャリア濃度を約３×１０19ｃｍ-3とするＳｉドープｎ形ＧａＮ層（層厚＝２ｎｍ）を、第２のｎ形導電層１０３ｂとして積層した。また、第２のｎ形導電層１０３ｂ上には、キャリア濃度を約６×１０18ｃｍ-3とするＳｉをドーピングした第３のｎ形ＧａＮ導電層層１０３ｃを配置した。第３のｎ形導電層１０３ｃの厚さは、約３μｍに設定した。以上のキャリア濃度を互いに異にする３層のｎ形導電層１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃを積層させて、ｎ形クラッド層１０３を構成した。
【００３６】
ｎ形クラッド層１０３上には、実施例１に記載の多相構造からなるｎ形発光層１０４及びアルミニウム組成に勾配を付してなるｐ形クラッド層１０５を順次積層させた。
【００３７】
実施例１の手法によりＬＥＤを作製した。図３は本実施例で作製したＬＥＤ５０の断面模式図である。実施例１のＬＥＤ３０とは、ｎ形オーミック電極１０６の配置を異にし、実施例２のＬＥＤ５０にあっては、第２のｎ形導電層１０３ｂの表層部に接してｎ形オーミック電極１０６を設けている。ＬＥＤ５０に約３．７Ｖの順方向電圧を印可し、２０ｍＡの順方向電流を流して、中心の発光波長を約４４２ｎｍとし、スペクトル半値幅を約１３ｎｍとする青色の短波長可視光を得た。また発光する領域は、特に第２及び第３のｎ形導電層による動作電流の拡散作用配置により、発光層１０４のおおむね全領域に達するものとなった。このため、チップ状態で測光される発光強度は、約２６μＷの高強度となり、高輝度の短波長ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が作製された。
【００３８】
（実施例３）
（０００１）サファイア基板１０１上の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる低温緩衝層１０２上に、合計４層のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層２０３ａ〜２０３ｄからなるｎ形クラッド層２０３を備えた積層構造体６０からＬＥＤ７０を作製した。図４に本実施例のＬＥＤ７０の断面模式図を示す。
【００３９】
ｎ形クラッド層２０３は、層厚を２ｎｍとするＡｌＮ緩衝層１０２に接する第１のｎ形導電層２０３ａをアンドープのｎ形Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ（層厚＝１．２μｍ、キャリア濃度＝４×１０16ｃｍ-3）とし、第１のｎ形導電層２０３ａに接合する第２のｎ形導電層２０３ｂをＳｉを高濃度にドーピングした低抵抗のｎ形ＧａＮ（層厚＝０．１ｎｍ、キャリア濃度＝５×１０19ｃｍ-3）とし、低抵抗の第２のｎ形導電層２０３ｂ上の第３のｎ形導電層２０３ｃを、Ｓｉドープのｎ形ＧａＮ（層厚＝１．７μｍ、キャリア濃度＝８×１０18ｃｍ-3 ）とし、第４のｎ形導電層２０３ｄをＳｉドープのｎ形Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎ（層厚＝０．５μｍ、キャリア濃度＝６×１０18ｃｍ-3）として構成した。
【００４０】
ｎ形クラッド層２０３上には、実施例１に記載したｎ形Ｇａ0.94Ｉｎ0.06Ｎを主体相とする多相構造発光層１０４を積層した。このため、発光層を構成する主体相と、ｎ形クラッド層２０３の最表層の第４のｎ形導電層をなすｎ形Ｇａ0.98Ｉｎ0.02Ｎとの禁止帯幅の差違は約０．１ｅＶとなり（特公昭５５−３８３４号参照）、また、伝導帯側のオフセットは約０．０７ｅＶと算出された（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．３９５（１９９６）、１２３〜１３４頁参照）。ｎ形発光層１０４上には、実施例１に記載のｐ形クラッド層１０５を積層して、ｐｎ接合型のヘテロ接合構造の発光部を備えた積層構造体６０を構成した。
【００４１】
積層構造体６０にプラズマエチング等の加工を施した後、第２のｎ形導電層２０３ｂ上にｎ形オーミック電極１０６を形成して、ＬＥＤ７０を構成した。このｎ形オーミック電極１０６と、ｐ形クラッド層１０５上のｐ形オーミック電極１０７との間に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、中心の発光波長を約４４０ｎｍとする青色発光が得られた。発光スペクトルから求めた半値幅は約１３ｎｍとなった。また発光領域は、ｎ形オーミック電極１０６に隣接する発光層１０４の周縁領域に限定されず、発光層１０４のおおむね全面の広範囲にわたるものとなった。このため、チップ状態で一般の積分球方式で測光される発光強度は約２０μＷの高強度となり、高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供された。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ形クラッド層に素子動作電流を都合良く拡散できる低抵抗の導電層と、その上に層厚を比較的大とする更なる電流拡散の作用を発揮する導電層とを設けたことにより、発光面積が拡張され、高輝度の短波長可視発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のＬＥＤの平面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】実施例２のＬＥＤの断面模式図である。
【図４】実施例３のＬＥＤの断面模式図である。
【図５】本発明のｎ形クラッド層の構成を概念的に示す断面図である。
【図６】ｎ形クラッド層内部での電流の流通の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１        結晶基板
２        緩衝層
３        第１のｎ形導電層
４        第２のｎ形導電層
５        第３のｎ形導電層
６        発光層
７        ｎ形オーミック電極
１０      ｎ形クラッド層
ｅ        電子
２０      ＬＥＤ
４０      ＬＥＤ
６０      ＬＥＤ
３０      積層構造体
５０      積層構造体
７０      積層構造体
１０１    サファイア基板
１０２    緩衝層
１０３    ｎ形クラッド層
１０３ａ  アンドープの第１のｎ形導電層
１０３ｂ  不純物ドープの第２のｎ形導電層
１０３ｃ  不純物ドープの第３のｎ形導電層
１０４    多相構造発光層
１０５    ｐ形クラッド層
１０６    ｎ形オーミック電極
１０７    ｐ形オーミック電極
１０７ａ  台座電極
１０７ｂ  透光性電極
２０３    ｎ形クラッド層
２０３ａ  アンドープの第１のｎ形導電層
２０３ｂ  不純物ドープの第２のｎ形導電層
２０３ｃ  不純物ドープの第３のｎ形導電層
２０３ｄ  不純物ドープの第４のｎ形導電層
【図１】
0004306015.tif 000002
【図２】
0004306015.tif 000003
【図３】
0004306015.tif 000004
【図４】
0004306015.tif 000005
【図５】
0004306015.tif 000006
【図６】
0004306015.tif 000007