(57)【要約】      （修正有）【課題】静電気放電耐圧を向上させたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】発光素子は、ｎ型ドーパントがドーピングされた第１窒化物半導体層３０ａと、前記第１窒化物半導体層よりも低いドーピング濃度を有するとともに、１０ｎｍを超える厚さを有する第２窒化物半導体層３０ｂとが交互に複数回積層された構造を含むｎ型窒化物半導体層３０と、ｐ型窒化物半導体層５００と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ形窒化物半導体層との間に位置し、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層４００と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｎ側電極８００と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｐ側電極７００とを含む。【選択図】図８
2009088505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ドーパントがドーピングされた第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層よりも低いドーピング濃度を有するとともに、１０ｎｍを超える厚さを有する第２窒化物半導体層とが交互に複数回積層された構造を含むｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ形窒化物半導体層との間に位置し、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層と、
前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｎ側電極と、
前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｐ側電極と
を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ側電極は、前記ｎ型窒化物半導体層のメサエッチングされた領域に形成されることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１窒化物半導体層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２窒化物半導体層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２窒化物半導体層は、ドーピングされていないＧａＮからなることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１窒化物半導体層は、１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度でドーピングされることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族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、全体として１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に位置する第２ｎ型窒化物半導体層をさらに含み、
前記第２ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型ドーパントがドーピングされた第３窒化物半導体層と、前記第３窒化物半導体層よりも低いドーピング濃度を有し、前記第２窒化物半導体層よりも厚い第４窒化物半導体層とが交互に複数回積層された構造を有することを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第４窒化物半導体層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項８記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第４窒化物半導体層は、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項９記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
ｎ型ドーパントがドーピングされた第１ｎ型ＧａＮ層と、１０ｎｍを超える厚さを有する第１ｕｎ-ＧａＮ層とが交互に複数回積層された構造を含むｎ型コンタクト層と、
ｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型コンタクト層と前記ｐ形窒化物半導体層との間に位置し、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層と、
前記ｎ型コンタクト層に電気的に接触されるｎ側電極と、
前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｐ側電極と
を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第１ｎ型ＧａＮ層は、１０ｎｍ以下の厚さを有し、１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第１ｎ型ＧａＮ層は、５ｎｍ以上８ｎｍ以下の厚さを有し、３×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記ｎ側コンタクト層は、少なくとも１０個の第１ｕｎ-ＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記ｎ型コンタクト層と前記活性層の間に位置するｎ型窒化物半導体層をさらに含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、前記第１ｎ型ＧａＮ層よりも低いドーピング濃度でｎ型ドーパントがドーピングされた第２ｎ型ＧａＮ層と、前記第１ｕｎ-ＧａＮ層を超える厚さを有する第２ｕｎ-ＧａＮ層とが交互に複数回積層された構造を有することを特徴とする請求項１１記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
電子と正孔の再結合により光を生成する活性層と、
前記活性層の一側に位置するｐ型窒化物半導体層と、
前記活性層の他の一側に位置する第１ｎ型窒化物半導体層と、
前記第１ｎ型窒化物半導体層と前記活性層との間に位置する第２ｎ型窒化物半導体層と
を含み、
前記第１ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型ドーパントでドーピングされた第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層よりも低いドーピング濃度を有するとともに、１０ｎｍを超える厚さを有する第２窒化物半導体層とが交互に少なくとも１０回積層された構造を含み、
前記第２ｎ型窒化物半導体層は、前記第１窒化物半導体層よりも低いドーピング濃度でｎ型ドーパントがドーピングされた第３窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層を超える厚さを有する第４窒化物半導体層とが交互に複数回積層された構造を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記第１ｎ型窒化物半導体層は、１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度でドーピングされることを特徴とする請求項１６記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記第１窒化物半導体層及び前記第２窒化物半導体層の一対が全体として１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１７記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
電子と正孔の再結合により光を生成する活性層と、
前記活性層の一側に位置するｐ型窒化物半導体層と、
前記活性層の他の一側に位置するｎ型窒化物半導体層と
を含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有するようにｎ型ドーパントでドーピングされた第１層と、１０ｎｍを超える厚さを有する第２層とを交互に繰り返して積層することにより全体のドーピング濃度が決定されることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
前記第１層と前記第２層の一対が、全体として１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１９記載のＩＩＩ族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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関し、特に、１０ｎｍを超える厚さを有し、ドーピングされないＧａＮ層をｎ側コンタクト層内に備えることにより、電流の拡散を促進し静電気放電耐圧を向上させたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子とは、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ｉｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む化合物半導体層を有する発光ダイオードのような発光素子を意味し、さらにＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＣＮ等の他の族の元素を含む物質や、これらの物質を含む半導体層を含む。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、基板１００、基板１００上にエピタキシャル成長したバッファ層２００、バッファ層２００の上にエピタキシャル成長したｎ型窒化物半導体層３００、ｎ型窒化物半導体層３００の上にエピタキシャル成長した活性層４００、活性層４００上にエピタキシャル成長したｐ型窒化物半導体５００、ｐ型窒化物半導体５００の上に形成されたｐ側電極６００、ｐ側電極６００上に形成されたｐ側ボンディングパッド７００、ｐ型窒化物半導体層５００と活性層とがメサエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ側電極８００、及び保護膜９００を含む。
【０００３】
基板１００は、同種基板としてＧａＮ系基板が用いられ、異種基板としてサファイア基板、シリコンカーバイド基板あるいはシリコン基板が用いられるが、窒化物半導体層が成長し得る基板であれば、いかなる種類であってもよい。シリコンカーバイド基板が用いられる場合には、ｎ側電極８００はシリコンカーバイド基板側に形成され得る。
基板１００上にエピタキシャル成長する窒化物半導体層は、主にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によって成長させられる。
【０００４】
バッファ層２００は、異種基板１００と窒化物半導体間の格子定数及び熱膨脹係数の差を解決するためのものであり、米国特許第５，１２２，８４５号明細書には、サファイア基板上に３８０℃〜８００℃の温度で厚さ１０ｎｍ〜５０ｎｍのＡｌＮバッファ層を成長させる技術が開示されている。米国特許第５，２９０，３９３号明細書には、サファイア基板上に２００℃〜９００℃の温度で厚さ１ｎｍ〜５００ｎｍのＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）バッファ層を成長させる技術が開示されており、国際公開公報ＷＯ０５／０５３０４２号パンフレットには、６００℃〜９９０℃の温度でＳｉＣバッファ層（ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）を成長させた後、その上にＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）層を成長させる技術が開示されている。望ましくは、ＡｌＮバッファ層、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１-ｘ）Ｎ（０≦ｘ<１）バッファ層またはＳｉＣ／Ｉｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）バッファ層上に、ドーピングされない数μｍ程度の厚さのＧａＮ層が具備される。
【０００５】
ｎ型窒化物半導体層３００は、少なくともｎ側電極８００が形成された領域（ｎ型コンタクト層）が不純物でドーピングされ、ｎ型コンタクト層は、好ましくはＧａＮからなり、Ｓｉでドーピングされる。米国特許第５，７３３，７９６号明細書には、Ｓｉと他の原料物質の混合比を調節することによって所望のドーピング濃度でｎ型コンタクト層をドーピングする技術が開示されている。
【０００６】
活性層４００は、電子と正孔の再結合により光子（光）を生成する層であって、一般に、Ｉｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）からなり、単一量子井戸層（ｓｉｎｇｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）または多重量子井戸層（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ）を有する。
【０００７】
ｐ型窒化物半導体層５００は、Ｍｇのような適切な不純物を利用してドーピングされ、活性化されることによりｐ型導電性を有するようになる。米国特許第５，２４７，５３３号明細書には、電子ビーム照射によりｐ型窒化物半導体層を活性化させる技術が開示されており、米国特許第５，３０６，６６２号明細書には、４００℃以上の温度でアニールすることによりｐ型窒化物半導体層を活性化させる技術が開示されている。さらに、国際公開公報ＷＯ０５／０２２６５５号パンフレットには、ｐ型窒化物半導体層成長の窒素前駆体として、ＮＨ３とヒドラジン系原料物質を共に使用することで活性化させなくてもｐ型伝導性を有するｐ型窒化物半導体層が得られる技術が開示されている。
【０００８】
ｐ側電極６００は、ｐ型窒化物半導体層５００全体に電流がよく供給されるようにするために備えられるが、米国特許第５，５６３，４２２号明細書には、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面にわたって形成され、ｐ型窒化物半導体層とオーミック接触し、ＮｉとＡｕからなる透光性電極（ｌｉｇｈｔ−ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に関する技術が開示されている。さらに、米国特許第６，５１５，３０６号明細書には、ｐ型窒化物半導体層の上にｎ型超格子層を形成した後、その上にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなる透光性電極を形成した技術が開示されている。
【０００９】
一方、ｐ側電極６００は、光を透過しないように、すなわち、光を基板１００側に反射するように、厚さを大きくして形成することができるが、このような技術をフリップチップ（ｆｌｉｐ  ｃｈｉｐ）技術という。米国特許第６，１９４，７４３号明細書には、２０ｎｍ以上の厚さを有するＡｇ層、Ａｇ層を覆う拡散防止層、そして拡散防止層を覆うＡｕとＡｌからなるボンディング層を含む電極構造に関する技術が開示されている。
【００１０】
ｐ側ボンディングパッド７００及びｎ側電極８００は、電流の供給と外部へのワイヤーボンディングを行うためのものであり、米国特許第５，５６３，４２２号明細書にはｎ側電極８００をＴｉとＡｌから構成された技術が開示されている。
【００１１】
保護膜９００は、二酸化ケイ素のような物質で形成されるが、省略されてもよい。
一方、ｎ型窒化物半導体層３００やｐ型窒化物半導体層５００は単一の層や複数の層から構成することができ、最近ではレーザーまたは湿式エッチングによって基板（１００）を窒化物半導体層から分離して垂直型発光素子を製造する技術が導入されている。
【００１２】
図２は、米国特許第５，７３３，７９６号明細書に開示されたｎ型窒化物半導体のドーピング方法を説明する図面であり、Ｓｉ原料の流入量とキャリア濃度（又は抵抗率）が線形に比例する範囲内（〜３×１０１８／ｃｍ３）でＳｉ原料と他の原料物質の混合比を調節することによって、所望のドーピング濃度でｎ型窒化物半導体層を制御する技術が提示されており、１×１０１９／ｃｍ３程度の濃度でドーピングが行なわれる場合には、窒化物半導体層の結晶性が悪くなると指摘している。
【００１３】
図３は、国際公開公報ＷＯ９９／００５７２８号パンフレットに開示されたｎ型窒化物半導体層のドーピング方法を説明する図面であり、図２に提示された技術を回避するために、ｎ側コンタクト層として超格子構造のｎ型窒化物半導体層３１０を形成する技術が提示されている。具体的には、ｎ側コンタクト層３１０は、１×１０１９／ｃｍ３の濃度でドーピングされた厚さ２ｎｍのｎ型ＧａＮ層と、ドーピングされていない厚さ２ｎｍのＧａＮ層とを、２５０周期繰り返し積層することによって形成される。ここで、超格子構造とは、１０ｎｍ以下の厚さを有する層が繰り返し積層された構造のことであり、組成、ドーピング濃度及び／又は厚さが異なるようにしても良い。
【００１４】
図４は、国際公開公報ＷＯ９９／０４６８２２号パンフレットに開示されたｎ型窒化物半導体層のドーピング方法を説明する図面であり、３×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度で厚さ３μｍのｎ側コンタクト層４１０を形成し、その上に、ｎ側コンタクト層４１０の悪い結晶性を回復するために、組成、ドーピング濃度及び／又は厚さが異なる超格子構造又は多層膜構造のｎ型窒化物半導体層４２０を形成する技術が提示されている。超格子構造又は多層膜構造のｎ型窒化物半導体層４２０は、１×１０１９／ｃｍ３以下の濃度にドーピングされる。
【００１５】
一方、静電気放電（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：以下「ＥＳＤ」という。）特性（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）、すなわち耐圧を向上させるために、ドーピングされていないＧａＮ層（以下「ｕｎ−ＧａＮ層」という。）が使用される。図３に提示された発光素子の場合、厚さ１０ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層３２０が用いられ、図４に提示された発光素子の場合、図５に図示されるように、厚さ２００ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層４３１、４．５×１０１８／ｃｍ３の濃度でドーピングされた厚さ３０ｎｍのｎ型ＧａＮ層４３２、および厚さ５ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層４３３が用いられている。
【００１６】
しかし、このような従来技術において、ｎ型窒化物半導体層をドーピングするために、あるいは、ＥＳＤ耐圧を向上させるために、厚さが１０ｎｍを超えるｕｎ−ＧａＮ層をｎ側コンタクト層３１０，４１０内に用いることはできない。これは、ｎ側コンタクト層３１０，４１０はメサエッチングされてｎ側電極３４０，４４０が形成される層であるため、ｕｎ−ＧａＮ層にｎ側電極３４０，４４０が形成されると順方向電圧が高くなるという不都合があるからである。さらに、ｎ側電極３４０，４４０を形成し、また、電流を十分に拡散させるためには、ｎ側コンタクト層を所定以上の厚さ、例えば１μｍを超える厚さに形成しなければならず、多数のｕｎ−ＧａＮ層がｎ側コンタクト層３１０，４１０内に配置されると、同じく順方向電圧が高くなるという不都合がある。
【００１７】
また、図１に図示される発光素子のように、ｐ側ボンディングパッド７００とｎ側電極８００が発光素子の一側で距離を隔てて配置される場合に、垂直型発光素子とは異なり、ｎ側電極８００から流入する電子の電流のボトルネック現象が発生することがある。このような現象は大面積発光素子でより深刻な問題となり、静電気が発生すると静電気電流が一か所に集中して発光素子の破壊が起こることがある。したがって、ｎ側コンタクト層は可能であればドーピング濃度を増加させ厚さを大きくする必要がある。ｎ側コンタクト層のドーピング濃度と厚さを増加させると、成長時に窒化物半導体層に応力が強くかかり、窒化物半導体層は応力を緩和させる方向に成長し、結晶性の低下につながる。
【００１８】
このような観点（高濃度を維持しながら結晶性を確保するために）から、米国特許第５，７３３，７９６号明細書は１×１０１９／ｃｍ３を超えるドーピング濃度で結晶性が悪くなると指摘している。国際公開公報ＷＯ９９／００５７２８号パンフレットは、１×１０１９／ｃｍ３の濃度にドーピングされた厚さ２ｎｍの薄いｎ型ＧａＮ層と、厚さ２ｎｍの薄いｕｎ−ＧａＮ層が繰り返し積層された超格子構造のｎ側コンタクト層３１０を用いることによって、米国特許５，７３３，７９６号明細書の技術を回避する技術を開示している。これにより、高濃度でドーピングしたＧａＮ層の厚さを１０ｎｍ未満に制限して結晶欠陥を減らすと同時に、１０ｎｍ以下の厚さのｕｎ−ＧａＮ層を用いることにより、ｎ側コンタクト層３１０全体のドーピング濃度の低下を防ぎながらも結晶性を維持している。
【００１９】
一方、国際公開公報ＷＯ９９／０４６８２２号パンフレットは、３×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度で厚さ３μｍのｎ側コンタクト層４１０を形成し、その上に超格子構造又は多層膜構造のｎ型窒化物半導体層４２０を形成することによって、ｎ側コンタクト層４１０の低下した結晶性を回復させる技術を提示している。しかし、本発明者等が理解している範囲内で（用いられるバッファ層等によって発光素子が耐え得る応力には差があるとしても）、５×１０１８／ｃｍ３以上のドーピング濃度で厚さ数μｍに成長したｎ型窒化物半導体層を含む発光素子を実際の製品として製造することは容易ではないと判断される。
【００２０】
したがって、従来の発光素子は、ｎ側コンタクト層のドーピング濃度を高くする一方、結晶性を維持するために、全体的のドーピング濃度が５×１０１８／ｃｍ３以下である単一膜又は超格子構造のｎ側コンタクト層を提示するに留まっている。
【００２１】
一方、国際公開公報ＷＯ０６／００９３７２号パンフレットには、１×１０２１／ｃｍ３の濃度でドーピングされたＧａＮ層と、８００℃〜９５０℃の温度で成長した厚さ１ｎｍ〜２０ｎｍのｕｎ−ＩｎＧａＮ層とを繰り返し積層したｎ型窒化物半導体層をドーピングする方法が概念的に提示されており、これもｎ側コンタクト層に関してはいかなる言及もしていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記の問題点を解消したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、高いドーピング濃度で、かつ結晶性の良いｎ型窒化物半導体層を備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、５×１０１９／ｃｍ３のような高濃度ドーピングでも結晶性を維持し得るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００２３】
また、本発明は、新しいドーピング方法により形成されたｎ側コンタクト層を備えるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ドーピングされていないｎ型窒化物半導体層の厚さを超格子構造の範囲外（１０ｎｍ超過）の領域で調節することによって高いドーピング濃度及び高い結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００２４】
また、本発明は、静電気放電耐圧を向上させたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ＥＳＤ耐圧向上のための１０ｎｍを超える窒化物半導体層をｎ側コンタクト層内に導入したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ボトルネック現象を解消したＩＩＩ族窒化物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】
【００２５】
上記目的を達成するために、本発明は、ｎ型ドーパントがドーピングされた第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層よりも低いドーピング濃度を有するとともに、１０ｎｍを超える厚さを有する第２窒化物半導体層とが交互に複数回積層された構造を含むｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ形窒化物半導体層との間に位置し、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に連結されるｐ側電極とを含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供する。
【００２６】
ここで、第１窒化物半導体層を５×１０１９／ｃｍ３のように高濃度でドーピングすることにより、ｎ型窒化物半導体層が全体として１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有するようにすることができる。好ましくは、第２窒化物半導体層はドーピングされないが、非意図的に又は意図的にドーピングされることもあり、その場合、１×１０１８／ｃｍ３以上にドーピングされると、本発明の効果は、期待し難い。
【００２７】
本発明は、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層と、前記活性層の一側に位置するｐ型窒化物半導体層と、前記活性層の他の一側に位置するとともに、結晶性を向上させて電流の拡散を促進する１０ｎｍを超える厚さを有する第１窒化物半導体層を含むｎ側コンタクト層と、前記ｎ側コンタクト層に接触されるｎ側電極とを含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供する。
本発明は、既存に不可能だと見なされていたところ、結晶性を向上させて、電流拡散を促進する１０ｎｍを超える層をｎ側コンタクト層に導入することにより、新しいＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提示している。さらに、このような構成により、発光素子のＥＳＤを改善することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子によると、電流の拡散を促進し、また、ＥＳＤ耐圧を向上させることができる。
また、本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子によると、ｎ型窒化物半導体層、特にｎ側コンタクト層を高濃度でドーピングしながらも結晶性を維持することができる。
また、本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子によると、結晶性を維持しながらｎ側の面抵抗をｐ側の面抵抗（単位面積当たり１０〜２０Ω程度、特に１５Ω程度）に近接させる新しいドーピング方法の使用が可能となる。
また、本発明によるドーピング方法、結晶性方法及び／又はＥＳＤ耐圧向上方法は、本発明の技術的思想を一脱しない範囲内で、垂直構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に拡張することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
図６は、本発明による実験例を示す図面であり、５×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度（Ｓｉ原料としてＤＴＢＳｉを９.５ｓｃｃｍで供給）と６ｎｍの厚さを有するｎ型ＧａＮ層と、１０ｎｍの厚さを有するｕｎ−ＧａＮ層とを繰り返し積層して約２μｍの厚さのｎ型窒化物半導体層を成長した時（これはＳｉ原料の供給時間を調節することによって行うことができる。例えば、Ｓｉ原料を１５秒間供給した後、２５秒間供給を中断する）の表面顕微鏡写真（左側）、ならびに、他の条件を維持したままＳｉ原料としてＤＴＢＳｉを９．０ｓｃｃｍで供給してｎ型窒化物半導体層を成長した時の表面顕微鏡写真（右側）を示している。
【００３０】
この実験は、ｎ型窒化物半導体層のドーピング濃度を、５×１０１９／ｃｍ３のような高濃度より低くすることによって、結晶性が改善し得るかを検討した。
両側写真から分かるように、表面に多くのピット（ｐｉｔ）が存在し、厚さを維持したまま５×１０１９／ｃｍ３のような高濃度ドーピングからドーピング濃度を下げても、結晶性は大幅には改善していないことが分かる。この積層構造を形成する前に、サファイア基板上にバッファ層と厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層をあらかじめ成長させた。バッファ層は前述した方法が使用され得るが、ここではＳｉＣ／ＩｎＧａＮバッファ層を用いた。
【００３１】
すなわち、この実験によれば、１×１０１９／ｃｍ３を超過した高いドーピング濃度によりｎ型ＧａＮ層の結晶性が極端に悪くなる場合には、従来のように超格子構造の範囲内である１０ｎｍ以下の厚さのｕｎ−ＧａＮ層を回復層として用いてもｎ型窒化物半導体層全体の結晶性を確保することができないことを示している。
【００３２】
したがって、図３に示される従来技術は、１０ｎｍ未満のｎ型ＧａＮ層と１０ｎｍ未満のｕｎ−ＧａＮ層を利用できるとしているが、実際、１×１０１９／ｃｍ３程度のドーピング濃度で２ｎｍ程度の薄い厚さを有するｎ型ＧａＮ層を使用することに留まっており、ｎ側コンタクト層の全体のドーピング濃度を維持するために２ｎｍ程度の薄いｕｎ−ＧａＮ層を使用することに留まっている。
【００３３】
図７は、本発明による他の実験例を示す図面であり、５×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度（Ｓｉ原料としてＤＴＢＳｉを９．５ｓｃｃｍで供給）と６ｎｍの厚さのｎ型ＧａＮ層と、１８ｎｍの厚さのｕｎ−ＧａＮ層とを繰り返し積層し、厚さ約２μｍのｎ型窒化物半導体層を成長した時の表面顕微鏡写真を示している。この実験によれば、ｎ型ＧａＮ層が１×１０１９／ｃｍ３を超える高いドーピング濃度を有しても、ｕｎ−ＧａＮ層の厚さを所定以上の値に形成することにより、結晶性を損なうことなく高濃度のｎ型窒化物半導体層を形成できることが分かる。
【００３４】
また、この実験によれば、ドーピングされたｎ型ＧａＮ層（ドーピング濃度５×１０１９／ｃｍ３）より３倍厚いｕｎ−ＧａＮ層を積層しても、ｎ型窒化物半導体層は全体として１．２５×１０１９／ｃｍ３程度の従来には期待できなかった高いドーピング濃度を有するだけでなく、結晶性も維持されることが分かる。
【００３５】
超格子範囲内のｎ型ＧａＮ層が１×１０１９／ｃｍ３を超えてドーピングされる場合に（例えば、５×１０１９／ｃｍ３）、単純にＧａＮ層にＳｉがドーピングされるだけではなく、ＧａＮ層とＳｉＮ層が混在することが推測される。このような形態のｎ型ＧａＮ層の上に所定の厚さ以下のｕｎ−ＧａＮ層を形成する場合に、ＳｉＮ層の上にはＧａＮ層が形成されず、その結果多くのピット（ｐｉｔ）が発生すると考えられる。
【００３６】
したがって、従来は、ｎ型ＧａＮ層が過度にトーピングされる場合には、この層の結晶性が著しく低下するので、所定以上の濃度にドーピングすることができなかった。しかしながら、上記実験に基づくと、本発明者等は、ｎ型ＧａＮ層を極端にドーピングした場合にも、この欠陥を補うために所定以上の厚さの回復層を形成することによって、積層構造全体の結晶性を確保し、層全体のドーピング濃度も以前よりはるかに高く維持できることを見出した。
【００３７】
本発明は、このような理解に基づいて、ｎ型窒化物半導体層の新しいドーピング方法を発明する一方、結晶性を回復してＥＳＤ耐圧を向上させるためにｎ側コンタクト層内に１０ｎｍを超える厚さの窒化物半導体層を導入したのである。
【００３８】
図８は、本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、基板１００、基板１００上にエピタキシャル成長したバッファ層２００、バッファ層２００の上にエピタキシャル成長したｎ型窒化物半導体層３０、ｎ型窒化物半導体層３０上にエピタキシャル成長した活性層４００、活性層４００上にエピタキシャル成長したｐ型窒化物半導体層５００、ｐ型窒化物半導体層５００の上に形成されたｐ側電極６００、ｐ側電極６００上に形成されたｐ側ボンディングパッド７００、及びｐ型窒化物半導体層５００と活性層４００とがメサエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ側電極８００を含む。
【００３９】
図８に示される発光素子は、ｎ型窒化物半導体層３０の構成を除くと、図１に図示される従来の発光素子とその構成が同一である。ｎ型窒化物半導体層３０は、１×１０１９／ｃｍ３を超えるドーピング濃度を有するｎ型ＧａＮ層３０ａと、１０ｎｍを超える厚さを有するｕｎ−ＧａＮ層３０ｂとを交互に繰り返して積層することによって形成される。このようなｎ型窒化物半導体層３０を介してｕｎ−ＧａＮ層３０ｂをｎ側コンタクト層内に導入することによって、発光素子内部のＥＳＤ耐圧を向上させることができ、また、結晶性を維持しながら、ｎ側の面抵抗をｐ側の面抵抗（単位面積当たり１０〜２０Ω程度）に近づくように低くすることができる。
【００４０】
ｎ側コンタクト層としてのｎ型窒化物半導体層３０の全体の厚さには特別な制限はない。ｎ型窒化物半導体層３０がメサエッチングされて、その上にｎ側電極８００が形成される場合に、エッチング工程と蒸着工程を考慮し、また、供給された電流を発光素子全体へ充分に拡散させるために、１μｍ以上の厚さを有することが望ましい。
【００４１】
ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの厚さは、既存の超格子構造と区分されるようにｕｎ−ＧａＮ層３０ｂが１０ｎｍを超える厚さを有することを除くと、特別な制限はない。例えば、ｎ型ＧａＮ層３０ａが、５×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度及び６ｎｍの厚さで形成されると、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂを１８ｎｍの厚さで形成することができる。
【００４２】
ここでｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの厚さは、ｎ型ＧａＮ層３０ａに発生した結晶欠陥を十分に回復できる程度でなければならない。ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂが厚過ぎる場合には、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂ上にｎ側電極８００が形成される時、動作電圧が過度に高くなる恐れがある。したがって、このような点を勘案して、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの厚さは１０ｎｍから３０ｎｍの間であることが好ましく、１５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの厚さが、ｎ型ＧａＮ層３０ａの厚さ及びドーピング濃度、並びにｎ型窒化物半導体層３０の全体のドーピング濃度によって変わることができるのはもちろんである。
【００４３】
また、ｎ型窒化物半導体層３０が全体として高濃度であり、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂにｎ側電極８００が形成される場合にも、発光素子として正常に動作することができるように、ｎ型ＧａＮ層３０ａのドーピング濃度は１×１０１９／ｃｍ３を超える必要がある。上限は各製造社（ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ）によって差があるが、ｎ型ＧａＮ層３０ａに過度の結晶欠陥があると、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂによる回復が容易ではないので、１×１０２１／ｃｍ３以下であることが好ましい。ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの厚さを縮小しながらもｎ型窒化物半導体層３０全体のドーピング濃度を高めるために、３×１０１９／ｃｍ３から６×１０１９／ｃｍ３程度のドーピング濃度がより好ましい。この値は、ｎ型ＧａＮ層３０ａの厚さとｎ型窒化物半導体層３０の全体のドーピング濃度によって変わることがある。
【００４４】
ｎ型ＧａＮ層３０ａの厚さは、この層がＳｉを十分に含むことができるように２ｎｍを超えることが好ましい。ｎ型ＧａＮ層が３０ａは、過度に厚くなると結晶性の回復が難しくなるので、１５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。両者をすべて考慮すると、ｎ型ＧａＮ層が３０ａは５ｎｍ以上８ｎｍ以下の厚さを有することがより好ましい。
【００４５】
ｎ型ＧａＮ層３０ａとｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの積層周期数は、ｎ型窒化物半導体層３０全体の厚さ（一般に２〜４μｍ程度）によって決定される。６ｎｍのｎ型ＧａＮ層３０ａと１８ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層３０ｂが２μｍ程度に形成される場合、１００周期が必要である。前述した本発明による各層の条件によると、本発明による発光素子を形成するためには、少なくとも１０層以上のｕｎ−ＧａＮ層３０ｂが必要である。
【００４６】
ｎ型ＧａＮ層３０ａとｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの物質構成に関して、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂの代りに、ＩｎＧａＮ層を用いてもよい。しかしながら、ＩｎＧａＮの成長のためには成長温度を下げなければならないなど問題点があるので、好ましくない。ただし、インジウムがｕｎ−ＧａＮ３０ｂにドーピングされることは可能である。
【００４７】
一方、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂは非意図的又は意図的にドーピングが行なわれることがある。ここで、「非意図的に」とは、ｎ型ＧａＮ層３０ａからＳｉが導入され得ることを意味し、「意図的に」とは、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂがｎ型ＧａＮ層３０ａの結晶回復層及びＥＳＤ耐圧向上層として機能する範囲内でｎ型窒化物半導体層３０の全体ドーピング濃度を高めるために、Ｓｉドーピングされ得ることを意味する。ドーパントは、必ずしもＳｉに限られない。
【００４８】
また、ｎ型ＧａＮ層３０ａ及びｕｎ−ＧａＮ層３０ｂは、積層構造内で必ずしも同一のドーピング濃度と同一の厚さを有する必要はない。
また、ｎ型窒化物半導体層３０の積層構造は、ｎ型ＧａＮ層３０ａから始まってもよく、ｕｎ−ＧａＮ層３０ｂから始まってもよいが、最後はｕｎ−ＧａＮ層３０ｂで形成されることが好ましい。
【００４９】
図９は、本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の他の例を示す図面である。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、基板１００、基板１００の上にエピタキシャル成長したバッファ層２００、バッファ層２００の上にエピタキシャル成長したｎ型窒化物半導体層３０、ｎ型窒化物半導体層３０の上にエピタキシャル成長した活性層４００、活性層４００の上にエピタキシャル成長したｐ型窒化物半導体層５００、ｐ型窒化物半導体層５００上に形成されたｐ側電極６００、ｐ側電極６００上に形成されたｐ側ボンディングパッド７００、及びｐ型窒化物半導体層５００と活性層４００とがメサエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ側電極８００を含む。
【００５０】
図９に図示される発光素子は、図８に図示される発光素子とは異なり、ｎ型窒化物半導体層３０と活性層４００との間に第２ｎ型窒化物半導体層３１を備えている。第２ｎ型窒化物半導体層３１は、発光素子全体への電流拡散とＥＳＤ耐圧の向上に寄与する。また、第２窒化物半導体層３１は、高濃度（例：１．２５×１０１９／ｃｍ３）でドーピングされた窒化物半導体層３０から活性層４００を保護する役割をする。
【００５１】
第２ｎ型窒化物半導体層３１は、ｎ型ＧａＮ層３１ａとｕｎ−ＧａＮ層３１ｂとの繰り返し積層構造からなっている。ｎ型ＧａＮ層３１ａは、ｎ型ＧａＮ層３０ａと同様に形成され、ｕｎ−ＧａＮ層３１ｂは電流拡散、結晶回復とＥＳＤ耐圧の向上のために可能な範囲で厚く形成される。
【００５２】
ｕｎ−ＧａＮ層３１ｂは、ｎ側電極８００の形成による制限を有しないので、厚く形成されてもよいが、過度に厚くなると抵抗が大きくなって動作電圧が高くなるため、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましく、８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚さを有することがより好ましい。一方、ｕｎ−ＧａＮ層３１ｂが薄過ぎる場合には、電流を拡散し活性層を保護する機能をすることは困難である。例えば、第２ｎ型窒化物半導体層３１は、４×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度と６ｎｍの厚さのｎ型ＧａＮ層３１ａと、１２０ｎｍの厚さのｕｎ−ＧａＮ層３１ｂとを繰り返し積層して０．４μｍの厚さで形成されることができる。
【００５３】
図１０は、本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のもう一つの例を示す図面である。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、基板１００、基板１００上にエピタキシャル成長したバッファ層２００、バッファ層２００の上にエピタキシャル成長したｎ型窒化物半導体層３００、ｎ型窒化物半導体層３００の上にエピタキシャル成長した活性層４００、活性層４００上にエピタキシャル成長したｐ型窒化物半導体層５００、ｐ型窒化物半導体層５００上に形成されたｐ側電極６００、ｐ側電極６００の上に形成されたｐ側ボンディングパッド７００、そしてｐ型窒化物半導体層５００と活性層がメサエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層の上に形成されたｎ側電極８００を含む。
【００５４】
図１０に図示される発光素子は、図９に図示される発光素子とは異なり、ｎ型窒化物半導体層３００と活性層４００との間に第２ｎ型窒化物半導体層３１を備え、ｎ型窒化物半導体層３０の代りに従来の単一膜からなるｎ型窒化物半導体層３００を備えている。
【００５５】
ＥＳＤ耐圧を向上させるために、従来の発光素子は、ｎ型窒化物半導体層３００と活性層４００との間に厚いｕｎ−ＧａＮ層又は低濃度でドーピングされたｎ−ＧａＮ層を備える場合がある。しかし、図１１に図示されるように、活性層と、低いドーピング濃度を有するｕｎ−ＧａＮ層又はｎ−ＧａＮ層との間の異種接合による電位障壁（点線からなる円によって示されている）によって、活性層へ供給される電子の供給効率が低下するという問題点があった。
【００５６】
本発明によれば、高濃度でドーピングされたｎ型ＧａＮ層３１ａと厚いｕｎ−ＧａＮ層３１ｂを繰り返して積層すると、第２ｎ型窒化物半導体層３１全体が高い結晶性と高い濃度を有することができる。図１２の点線からなる円で示されるように、電位障壁を低くして動作電圧の上昇を防止し得る。また、ｕｎ−ＧａＮ層３１ｂを利用して電流の拡散を図り、その結果ＥＳＤ耐圧を向上させることができる。
【００５７】
図１３は、本発明に対するＥＳＤ耐圧測定結果の一例を示す図である。１枚のウエハ内に３４個の発光素子をサンプリングして、逆方向に１ｋＶ［Ｈｕｍａｎ  Ｂｏｄｙ  Ｍｏｄｅｌ、Ｎｏｉｓｅｋｅｎ  ｓｅｒｉｅｓ］を印加し、その前後の漏れ変数（Ｌｅａｋａｇｅ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）［Ｖｒ，Ｉｒ］を測定して静電気特性を判断した。
【００５８】
比較例として、サファイア基板上に、ＩｎＧａＮ／ＳｉＣバッファ層を形成し、その上に厚さ２μｍのｕｎ−ＧａＮ層を形成した後、ｎ側コンタクト層としてドーピング濃度５×１０１８／ｃｍ３、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層、ドーピング濃度１×１０１７／ｃｍ３、厚さ０．４μｍのｎ-ＧａＮ層、およびドーピング濃度２×１０１８／ｃｍ３と、厚さ０．０２μｍのｎ-ＧａＮ層を形成した後、その上にＭＱＷ構造の活性層とｐ型ＧａＮ層を形成したものを使用した。本発明による発光素子は、ドーピング濃度５×１０１９／ｃｍ３で厚さ６ｎｍのｎ型ＧａＮ層と、厚さ１８ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層とを交互に積層して２μｍのｎ側コンタクト層を形成し、４×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度で厚さ６ｎｍのｎ型ＧａＮ層と厚さ１２０ｎｍのｕｎ−ＧａＮ層とを交互に積層して０．４μｍの第２ｎ型窒化物半導体層を形成したものを使用した。
【００５９】
この時、ＧａＮ層の成長速度は約０．６ｎｍ／ｓであり、ＤＴＢＳｉを９．５ｓｃｃｍで１０秒間供給し３０秒間供給を停止してｎ側コンタクト層を形成し、１０秒間供給して２００秒間供給を停止して第２ｎ型半導体層を形成した。成長温度は１０５０℃であり、キャリアガスとしてＨ２を、Ｇａの原料としてＴＭＧａを、窒素の原料としてＮＨ３を使用した。
【００６０】
本発明による発光素子については４０枚、比較例の発光素子については３０枚のウエハを用いて実験した。図１３は、横軸がウエハの番号（ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆ  ｗｅｆｅｒ）、縦軸が、各ウエハにおいて、３４個の発光素子のうち電圧印加後に正常に動作可能（ａｌｉｖｅ）であった発光素子の割合（収率：ｙｉｅｌｄ  ｒａｔｅ）を示している。
この実験から分かるように、比較例の場合にｎ−ＧａＮ層の上にｎ−ＧａＮ層を備えるにもかかわらず、４０％以下の収率を示している。これに対し、本発明の発光素子の場合には８０％を超える収率を有し、その効果が顕著であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。
【図２】米国特許第５，７３３，７８６号明細書に開示されたｎ型窒化物半導体層のドーピング方法を説明するための図面である。
【図３】国際公開公報ＷＯ９９／００５７２８号パンフレットに開示されたｎ型窒化物半導体層のドーピング方法を説明するための図面である。
【図４】国際公開公報ＷＯ９９／０４６８２２号パンフレットに開示されたｎ型窒化物半導体層のドーピング方法を説明するための図面である。
【図５】国際公開公報ＷＯ９９／０４６８２２号パンフレットに開示されたｎ型窒化物半導体層のドーピング方法を説明するための図面である。
【図６】本発明による実験例を示す図面である。
【図７】本発明による他の実験例を示す図面である。
【図８】本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。
【図９】本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の他の例を示す図面である。
【図１０】本発明によるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のもう一つの例を示す図面である。
【図１１】ＥＳＤ耐圧向上の原理を説明するための図面である。
【図１２】ＥＳＤ耐圧向上の原理を説明するための図面である。
【図１３】本発明に対するＥＳＤ耐圧測定結果の一例を示す図面である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  基板
２００  バッファ層
３０  ｎ型窒化物半導体層
３０ａ  ｎ型ＧａＮ層
３０ｂ  ｕｎ−ＧａＮ層
４００  活性層
５００  ｐ型窒化物半導体層
６００  ｐ側電極
７００  ｐ側ボンディングパッド
８００  ｎ側電極
【図１】
2009088505.tif 000003
【図２】
2009088505.tif 000004
【図３】
2009088505.tif 000005
【図４】
2009088505.tif 000006
【図５】
2009088505.tif 000007
【図６】
2009088505.tif 000008
【図７】
2009088505.tif 000009
【図８】
2009088505.tif 000010
【図９】
2009088505.tif 000011
【図１０】
2009088505.tif 000012
【図１１】
2009088505.tif 000013
【図１２】
2009088505.tif 000014
【図１３】
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