JP4827706B2

JP4827706B2 - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP4827706B2
Application number: JP2006327124A
Authority: JP
Inventors: 聡駒田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2008141047A

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、トンネル接合を有する窒化物半導体発光素子に関する。

従来から、ｐ型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型窒化物半導体層上に形成されるｐ側電極については以下の３つの条件を満たすことが求められている。

まず、第１番目の条件としては、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対して透過率が高いことである。次に、第２番目の条件として、注入される電流を発光層の面内に十分に拡散させることができる抵抗率および厚さを有していることである。最後に、第３番目の条件として、ｐ型窒化物半導体層との接触抵抗が低いことである。

ｐ型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型窒化物半導体層上に形成されるｐ側電極としては、従来、パラジウムやニッケル等の数〜１０ｎｍ程度の厚さの金属膜からなる半透明金属電極がｐ型窒化物半導体層の全面に形成されていた。しかしながら、このような半透明金属電極は、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対する透過率が５０％程度と低いために光取り出し効率が低下し、高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることが困難であるという問題があった。

そこで、パラジウムやニッケル等の金属膜からなる半透明金属電極に代えて、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明導電膜をｐ型窒化物半導体層の全面に形成することによって光取り出し効率を向上させた高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子が製造されている。このような透明導電膜が形成された窒化物半導体発光ダイオード素子においては懸念されていた透明導電膜とｐ型窒化物半導体層との接触抵抗も熱処理等によって改善されている。

また、特許文献１には、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造、および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造を少なくとも有するＩＩＩ族窒化物半導体積層構造が基板上に形成されており、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造中のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層には負電極が設けられ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造中のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層には正電極が設けられており、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造のｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とによりトンネル接合を形成した窒化物半導体発光ダイオード素子が開示されている。

特許文献１に開示されている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、正電極が第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造中のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に形成されており、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体はｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体に比べて容易にキャリア濃度を上げることが可能であることから、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧が低く、大出力駆動が可能である。また、窒化物半導体発光ダイオード素子の故障原因の一つとなっていた正電極における発熱も低減されるため、信頼性も向上することができると言われている。
特開２００２−３１９７０３号公報

しかしながら、ＩＴＯからなる透明導電膜は、高温にすると光学的性質が不可逆的に変化し、可視光の透過率が低下するという問題があった。また、ＩＴＯからなる透明導電膜を用いた場合には、可視光の透過率が低下するのを防止するために、ＩＴＯからなる透明導電膜の形成後のプロセスの温度領域が制限されてしまうという問題があった。さらに、ＩＴＯからなる透明導電膜は大電流密度の駆動で劣化し、黒色化するという問題もあった。

また、特許文献１の実施例に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、発光層と同程度のＩｎ（インジウム）組成比を有するｐ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層とによりトンネル接合が形成されており、その層厚はいずれも５０ｎｍである。

特許文献１の実施例に記載されているように、Ｉｎを固相として十分に供給するためには、成長温度を８００℃程度にまで下げることが必要である。しかしながら、低温で１×１０¹⁹／ｃｍ³以上の高いキャリア濃度を有するｐ型ＩｎＧａＮ層を得ることは困難であるため、トンネル接合部における電圧ロスを小さくすることができず、結果として駆動電圧が高くなるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、駆動電圧を低減することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。

本発明は、基板と、基板上に形成された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とｎ型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層のインジウムの組成比が第２のｐ型窒化物半導体層のインジウムの組成比よりも大きく、第２のｐ型窒化物半導体層の厚さが臨界膜厚以上である窒化物半導体発光素子である。なお、本発明において、「ｐ型窒化物半導体トンネル接合層のインジウムの組成比」は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層中に含まれるＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対するＩｎの原子数の比を意味する。また、本発明において、「第２のｐ型窒化物半導体層のインジウムの組成比」は、第２のｐ型窒化物半導体層中に含まれるＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対するＩｎの原子数の比を意味する。なお、本明細書において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示す。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第２のｐ型窒化物半導体層の厚さは２ｎｍ以上であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第２のｐ型窒化物半導体層におけるｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは５ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層におけるｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第１のｐ型窒化物半導体層のバンドギャップが第２のｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、第２のｐ型窒化物半導体層のバンドギャップがｐ型窒化物半導体トンネル接合層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はインジウムを含むことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層のｎ型不純物のドーピング濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、本発明において、「ｐ型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるｐ型不純物の原子濃度を示し、「ｎ型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるｎ型不純物の原子濃度を示しており、それぞれたとえばＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）等の方法により定量的に算出することができる。

本発明によれば、駆動電圧を低減することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１上に、順次積層された、第１のｎ型窒化物半導体層２と、発光層３と、第１のｐ型窒化物半導体層４と、第２のｐ型窒化物半導体層５と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７と、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層８と、第２のｎ型窒化物半導体層９と、を有しており、第１のｎ型窒化物半導体層２上にｎ側電極１０が形成され、第２のｎ型窒化物半導体層９上にｐ側電極１１が形成された構成を有している。

このような構成の窒化物半導体発光素子においては、従来のｐ型窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧を低くすることができる一方で、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６とｎ型窒化物半導体トンネル接合層７との接合部であるトンネル接合部における電圧ロスをいかに小さくすることができるかということが問われる。

このトンネル接合部におけるトンネリング確率Ｔｔは、一般的に下記の式（１）で表わされる。

Ｔｔ＝ｅｘｐ（（−８π（２ｍ_e）^1/2Ｅｇ^3/2）／（３ｑｈε）） …（１）
なお、上記の式（１）において、Ｔｔはトンネリング確率を示し、ｍ_eは伝導電子の有効質量を示し、Ｅｇはエネルギギャップを示し、ｑは電子の電荷を示し、ｈはプランク定数を示し、εはトンネル接合部にかかる電界を示している。

窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減するためには、このトンネリング確率Ｔｔを大きくすることが望まれる。上記の式（１）から、トンネリング確率Ｔｔを大きくするための方法としては、トンネル接合部におけるエネルギギャップＥｇを小さくすることおよびトンネル接合部にかかる電界εを大きくすることが考えられる。

トンネル接合部におけるエネルギギャップＥｇを小さくするためには、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層７がそれぞれＩｎを含み、Ｉｎの組成比が高い方が好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６のＩｎの組成比が発光層３のＩｎの組成比よりも大きくなる場合には、発光層３から放射された光はトンネル接合部で吸収され、光取り出し効率が低下する要因となるため、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６の厚さは薄い方が好ましい。

また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７はｎ型不純物の活性化率が高く、高いキャリア濃度を実現できるため、駆動させたときのトンネル接合部のｎ側の空乏層幅を小さくすることができる。したがって、光取り出し効率を向上させる観点から、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７の厚さはｐ型窒化物半導体トンネル接合層６の厚さ以下とすることが好ましい。

しかしながら、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６にＩｎを固相として十分に取り込ませる場合には、上述したように、成長温度を８００℃程度にまで下げることが必要であり、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６のキャリア濃度を高くすることが困難である。

そこで、本発明においては、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６のＩｎの組成比を第２のｐ型窒化物半導体層５のＩｎの組成比よりも大きくすることを特徴としている。このような構成とすることにより、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６は第２のｐ型窒化物半導体層５と格子不整合を生じるとともに、第２のｐ型窒化物半導体層５とｐ型窒化物半導体トンネル接合層６との界面またはその近傍にこれらの層の電子親和力の差によって電界が生じてｐ型窒化物半導体トンネル接合層６の正孔が界面近傍に引き寄せられ２次元電子ガスが発生する。そして、その生成した２次元電子ガスの効果によってｐ型窒化物半導体トンネル接合層６側の界面近傍において局所的にキャリア濃度を上げることができるため、トンネル接合部におけるトンネリング確率Ｔｔを上げることができ、結果としてトンネル接合部における電圧ロスを低減することができる。

また、トンネル接合部にかかる電界εを大きくするためには、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６とｎ型窒化物半導体トンネル接合層７の双方のイオン化不純物濃度を高くすればよい。ここで、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６におけるイオン化不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であることが好ましいことから、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６におけるｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。なお、本発明において、ｐ型不純物としては、たとえばＭｇ（マグネシウム）および／またはＺｎ（亜鉛）等をドーピングすることができる。

また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７におけるイオン化不純物濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましいことから、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７におけるｎ型不純物のドーピング濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。なお、本発明において、ｎ型不純物としては、たとえばＳｉ（シリコン）および／またはＧｅ（ゲルマニウム）等をドーピングすることができる。

さらに、トンネリング確率Ｔｔを上げるための他の方法としては、中間準位を形成する方法が挙げられる。中間準位を形成する方法としては、たとえば転位を形成する方法があるが、転位を形成するためには第２のｐ型窒化物半導体層５は下地となる第１のｐ型窒化物半導体層４と格子不整合になるとともに２ｎｍ以上の厚さを有することが好ましく、臨界膜厚以上の厚さを有することが好ましい。このように転位を形成した場合には、その転位によってトンネル接合部に中間準位が生じ、中間準位を介してもキャリアがトンネリングし得るため、トンネリング確率Ｔｔを上げることができ、ひいては駆動電圧を低減することができる傾向にある。

なお、臨界膜厚は、一般的に下記の式（２）で表わされる。
ｈ_c＝（ａ_e／（２^1/2πｆ））×（（１−ν／４）／（１＋ν））×（ｌｎ（ｈ_c２^1/2／ａ_e）＋１） …（２）
なお、上記の式（２）において、ｈ_cは第２のｐ型窒化物半導体層５の臨界膜厚を示し、ａ_eは第２のｐ型窒化物半導体層５の格子定数を示し、ｆは（ａ_s−ａ_e）／ａ_eの絶対値の最大値を示し、νは第２のｐ型窒化物半導体層５のポアソン比を示している。また、ａ_sは第１のｐ型窒化物半導体層４の格子定数を示している。

また、基板１としては、たとえば、サファイア基板、シリコン基板、炭化ケイ素基板、または酸化亜鉛基板等を用いることができる。

また、第１のｎ型窒化物半導体層２としては、たとえばｎ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができる。

また、発光層３としては、たとえば単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する窒化物半導体結晶を成長させることができ、なかでも、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-(a+b)Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦１−（ａ＋ｂ）≦１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶を含む多重量子井戸構造を有するものを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、ａはＡｌの組成比を示し、ｂはＩｎの組成比を示し、１−（ａ＋ｂ）はＧａの組成比を示す。

また、第１のｐ型窒化物半導体層４としては、ｐ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、たとえば、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体層上にｐ型ＧａＮ層を成長させたもの、またはＡｌを含むｐ型窒化物半導体層上にｐ型ＧａＮ層を成長させ、さらにその上にＩｎを含むｐ型窒化物半導体層を成長させたもの等を用いることができる。

また、第２のｐ型窒化物半導体層５としては、ｐ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、第１のｐ型窒化物半導体層４の最上層と格子不整合を有する場合には臨界膜厚を超えた段階で転位を形成して好ましい。また、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６の厚さがたとえば５ｍｍ以下と十分に薄く、空乏層が第２のｐ型窒化物半導体層５にも形成される場合にはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型不純物がドーピングされた層を用いることが好ましい。なお、上記の組成式においてｘはＩｎの組成比を示し、１−ｘはＧａの組成比を示す。また、第２のｐ型窒化物半導体層５におけるｐ型不純物のドーピング濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。第２のｐ型窒化物半導体層５におけるｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³未満である場合には第２のｐ型窒化物半導体層５の抵抗率が上がり、駆動電圧の上昇を招くおそれがある。

たとえば、第１のｐ型窒化物半導体層４がｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型ＧａＮ層を成長したものからなる場合には、第２のｐ型窒化物半導体層５はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型不純物がドーピングされた層からなることが好ましい。また、第１のｐ型窒化物半導体層４の最上層がｐ型ＡｌＧａＮ層である場合には第２のｐ型窒化物半導体層５はｐ型ＧａＮ層であってもよい。さらに、光取り出し効率の低下を防ぐために、第２のｐ型窒化物半導体層５のバンドギャップエネルギは発光層３から放射される光の波長に相当するエネルギ以上であってもよい。

また、上述したように、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６はＩｎを含む窒化物半導体であることが好ましく、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６のイオン化不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であることが好ましい。

また、第１のｐ型窒化物半導体層４、第２のｐ型窒化物半導体層５およびｐ型窒化物半導体トンネル接合層６のバンドギャップの関係は、第１のｐ型窒化物半導体層４のバンドギャップが第２のｐ型窒化物半導体層５のバンドギャップよりも大きく、第２のｐ型窒化物半導体層５のバンドギャップがｐ型窒化物半導体トンネル接合層６のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。第２のｐ型窒化物半導体層５が第１のｐ型窒化物半導体層４よりもバンドギャップが大きい場合には、ｐ型ドーパントの活性化エネルギが大きくなってキャリア濃度の低下を招き、駆動電圧の上昇を招くおそれがある。

また、上述したように、トンネリング確率Ｔｔを上げるためには、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７はＩｎを含む窒化物半導体であることが好ましく、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７のイオン化不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であることが好ましい。ただし、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７のイオン化不純物濃度はｐ型窒化物半導体層と比べて高くすることができるため、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７はたとえばＧａＮ等のＩｎを含まない窒化物半導体であってもよい。

また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７はドナー準位が浅く、活性化率が高いため、イオン化不純物濃度をたとえば１×１０¹⁹／ｃｍ³以上と高くすることができ、トンネル接合部におけるｎ型窒化物半導体トンネル接合層７側への空乏層の広がりが小さいこと、ならびに発光層３から放射された光の吸収量を低減することを考慮すると、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層７においては、ｎ型不純物とともにｐ型不純物をドーピングしてもよい。この場合には、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６からのｐ型不純物の拡散の抑止し、空乏層内に中間準位を形成する等の効果を期待することができるため、トンネリング確率の向上に寄与し得る。

また、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層７にはそれぞれ逆の導電型の層および／またはアンドープ層を含んでいてもよく、逆の導電型の層およびアンドープ層の層厚はそれぞれトンネル接合部においてキャリアがトンネリングする厚さ（たとえば２ｎｍ以下）であることが好ましい。

また、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層８を形成することにより、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層６および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層７がＩｎを含む場合にこれらの層からＩｎが蒸発するのを抑制することができる。

ここで、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層８としては、たとえば、Ａｌ_cＩｎ_dＧａ_1-(c+d)Ｎ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦１−（ｃ＋ｄ）≦１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドーピングした層を用いることができ、なかでもｎ型ＧａＮを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、ｃはＡｌの組成比を示し、ｄはＩｎの組成比を示し、１−（ｃ＋ｄ）はＧａの組成比を示す。

また、第２のｎ型窒化物半導体層９を形成することにより、第２のｎ型窒化物半導体層９上に形成されたｐ側電極１１から注入された電流を拡散させることができる。

ここで、第２のｎ型窒化物半導体層８としては、たとえば、ｎ型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでも抵抗率の低い層であることが好ましく、特に、キャリア濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上のＧａＮから構成されることが望ましい。

また、第１のｎ型窒化物半導体層２上に形成されるｎ側電極１０および第２のｎ型窒化物半導体層９上に形成されるｐ側電極１１としては、たとえば、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＡｌ（アルミニウム）からなる群から選択された少なくとも１種の金属を用いて、オーミック接触をとるように形成されることが好ましい。

ここで、ｎ側電極１０は、上記の第２のｎ型窒化物半導体層９の成長後のウエハを第２のｎ型窒化物半導体層９側からエッチングすることによって第１のｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させ、その露出面上に形成することができる。

また、別途用意した導電性の支持基板に上記の第２のｎ型窒化物半導体層９の成長後のウエハの第２のｎ型窒化物半導体層９側を貼り付けることによって、第１のｎ型窒化物半導体層２側が光取り出し側、第２のｎ型窒化物半導体層９側を支持基板側とし、支持基板側に反射率の高いＡｌ、ＰｔおよびＡｇからなる群から選択された少なくとも１種の金属を形成して、上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることもできる。

このような上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子によれば、第２のｎ型窒化物半導体層９は従来のｐ型窒化物半導体層よりもキャリア濃度を高くすることができることから、金属の仕事関数に関わらず、キャリアのトンネリングによるオーミック特性が得やすくなり、上述した反射率の高い金属を第２のｎ型窒化物半導体層９上に形成することができるため、光取り出し効率が向上する傾向にある。

（実施例１）
実施例１においては、図２の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、サファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮ下地層１０３、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４、発光層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７、ｐ型ＩｎＧａＮ層１０８、ｐ型トンネル接合層１０９、ｎ型トンネル接合層１１０、ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１１およびｎ型ＧａＮ層１１２がこの順序で積層され、ｎ型ＧａＮ層１１２の表面上にパッド電極１１３が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にパッド電極１１４が形成された構成を有している。

まず、サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットした。そして、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板１０１の温度を１０５０℃まで上昇させて、サファイア基板１０１の表面（Ｃ面）のクリーニングを行なった。

次に、サファイア基板１０１の温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流して、サファイア基板１０１の表面（Ｃ面）上にＧａＮバッファ層１０２をＭＯＣＶＤ法により約２０ｎｍの厚さでサファイア基板１０１上に成長させた。

次いで、サファイア基板１０１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Ｓｉがドーピングされたｎ型ＧａＮ下地層１０３（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法により６μｍの厚さでＧａＮバッファ層１０２上に成長させた。

続いて、キャリア濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型ＧａＮ下地層１０３と同様にして、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４をＭＯＣＶＤ法により０．５μｍの厚さでｎ型ＧａＮ下地層１０３上に成長させた。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層と１８ｎｍの厚さのＧａＮ層とを交互に６周期ＭＯＣＶＤ法により成長させて、多重量子井戸構造を有する発光層１０５をｎ型ＧａＮコンタクト層１０４上に形成した。なお、発光層１０５の形成時において、ＧａＮ層を成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流していないことは言うまでもない。

次いで、サファイア基板１０１の温度を９５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６をＭＯＣＶＤ法により約３０ｎｍの厚さで発光層１０５上に成長させた。

次に、サファイア基板１０１の温度を９５０℃に保持したままで、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｐ型ＧａＮコンタクト層１０７をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６上に０．１μｍの厚さに成長させた。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる第２のｐ型窒化物半導体層としてのｐ型ＩｎＧａＮ層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に０〜５０ｎｍの範囲内の所定の厚さに成長させた。

その後、サファイア基板１０１の温度を６７０℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０９をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＧａＮ層１０８上に２ｎｍの厚さに成長させた。

次に、サファイア基板１０１の温度を６７０℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎからなるｎ型トンネル接合層１１０（キャリア濃度：５×１０¹⁹／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０９上に４ｎｍの厚さに成長させた。

その後、サファイア基板１０１の温度を６７０℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１１（キャリア濃度：５×１０¹⁹／ｃｍ³）をｎ型トンネル接合層１１０上に１５ｎｍの厚さに成長させた。

その後、サファイア基板１０１の温度を９５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Ｓｉが１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ層１１２をＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１１上に０．２μｍの厚さに成長させた。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なった。

そして、上記のアニーリング後のウエハを反応炉から取り出し、そのウエハの最上層のｎ型ＧａＮ層１１２の表面上に所定の形状にパターンニングされたマスクを形成した。そして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、上記のウエハの一部についてｎ型ＧａＮ層１１２側からエッチングを行ない、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面の一部を露出させた。

そして、ｎ型ＧａＮ層１１２の表面上にパッド電極１１３を形成し、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にパッド電極１１４を形成した。ここで、パッド電極１１３およびパッド電極１１４は、ｎ型ＧａＮ層１１２の表面上およびｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にそれぞれＴｉ層とＡｌ層を順次積層することによって同時に形成された。その後、ウエハを複数のチップに分割することによって、図２の模式的断面図に示す構成を有する実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

図３に、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるｐ型ＩｎＧａＮ層１０８の厚さと駆動電圧との関係を示す。なお、図３において、縦軸は２０ｍＡの電流注入時の駆動電圧（Ｖ）を示し、横軸はｐ型ＩｎＧａＮ層１０８の厚さ（ｎｍ）を示している。

図３に示すように、ｐ型ＩｎＧａＮ層１０８の厚さが２０ｎｍになるまではｐ型ＩｎＧａＮ層１０８の厚さが増大するにしたがって駆動電圧は低減した。また、第２のｐ型窒化物半導体層としてのｐ型ＩｎＧａＮ層１０８の厚さが１０ｎｍ以下の場合には駆動電圧が飛躍的に低減することが確認された。

（実施例２）
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を成長させるところまでは実施例１と同一の条件および同一の方法で作製した。

そして、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる第２のｐ型窒化物半導体層としてのｐ型ＩｎＧａＮ層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２０ｎｍの厚さに成長させた。

その後、サファイア基板１０１の温度を６７０℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０９をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＧａＮ層１０８上に０〜１０ｎｍの範囲の所定の厚さに成長させた。

その後は、実施例１と同一の条件および同一の方法で、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

図４に、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるｐ型トンネル接合層１０９の厚さと駆動電圧との関係を示す。なお、図４において、縦軸は２０ｍＡの電流注入時の駆動電圧（Ｖ）を示し、横軸はｐ型トンネル接合層１０９の厚さ（ｎｍ）を示している。

図４に示すように、ｐ型トンネル接合層１０９の厚さが５ｎｍ以下の場合には駆動電圧が低くなり、ｐ型トンネル接合層１０９の厚さが１ｎｍ以上３ｎｍ以下の場合には駆動電圧が特に低くなった。

図５に、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるｐ型トンネル接合層１０９の厚さと光出力との関係を示す。なお、図５において、縦軸は光出力（．ａ．ｕ）を示し、横軸はｐ型トンネル接合層１０９の厚さ（ｎｍ）を示している。

図５に示すように、ｐ型トンネル接合層１０９の厚さが薄くなるにしたがって光出力が低減することが確認された。

図４および図５の結果から、駆動電圧の低減および光出力の向上を図る観点からは、ｐ型トンネル接合層１０９の厚さは５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることがより好ましいことが確認された。

（実施例３）
実施例３においては、図６の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子は、導電性基板５５上に、オーミック電極層５６、第１の接着用金属層５７、第２の接着用金属層５４、バリア層５３、反射層５２、ｎ型ＧａＮ層１１２、ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１１、ｎ型トンネル接合層１１０、ｐ型トンネル接合層１０９、ｐ型ＩｎＧａＮ層１０８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、発光層１０５、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４、ｎ型ＧａＮ下地層１０３およびパッド電極５８が順次形成された構成を有している。

実施例３においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７を成長させるところまでは実施例１と同様にして作製した。

次に、サファイア基板１０１の温度を７００℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる第２のｐ型窒化物半導体層としてのｐ型ＩｎＧａＮ層１０８をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２０ｎｍの厚さに成長させた。

そして、アニーリング後に、ｎ型ＧａＮ層１１２の表面上に厚さ１５０ｎｍのＡｇ層からなる反射層５２、厚さ５０ｎｍのＭｏ層からなるバリア層５３および厚さ３μｍのＡｕ層からなる第２の接着用金属層５４をこの順序でＥＢ（Electron Beam）蒸着法により形成した。

次に、別途用意した厚さ１２０μｍの導電性のＳｉからなる導電性基板５５上にＥＢ蒸着法により厚さ１５ｎｍのＴｉ層と厚さ１５０ｎｍのＡｌ層とをこの順序で積層したオーミック電極層５６、および厚さ１００ｎｍのＡｕ層と厚さ３μｍのＡｕＳｎ層とをこの順序で積層した第１の接着用金属層５７をこの順序で形成した。

そして、第１の接着用金属層５７の最表面に位置するＡｕＳｎ層と第２の接着用金属層５４の最表面に位置するＡｕ層とを対向させ、共晶接合法を用いて、第１の接着用金属層５７と第２の接着用金属層５４とを接合した。なお、共晶接合時の温度は２９０℃とした。

続いて、ＹＡＧレーザ光の第３高調波（波長：３５５ｎｍ）を鏡面研磨したサファイア基板１０１の裏面側から照射し、サファイア基板１０１上に形成されたＧａＮバッファ層１０２とｎ型ＧａＮ下地層１０３との界面部分を熱分解することにより、サファイア基板１０１およびＧａＮバッファ層１０２を除去した。

その後、サファイア基板１０１およびＧａＮバッファ層１０２が除去されて露出したｎ型ＧａＮ下地層１０３の表面上にＴｉ層とＡｕ層とをこの順序で積層することによってパッド電極５８を形成した。そして、パッド電極５８の形成後のウエハを複数のチップに分割することによって、図６の模式的断面図に示す構成を有する実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。なお、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｎ型ＧａＮ下地層１０３とパッド電極５８とのコンタクト抵抗を低減するためにｎ型ＧａＮ下地層１０３のキャリア濃度を５×１０¹⁸／ｃｍ³とした。

実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子の２０ｍＡの電流注入時の駆動電圧は４．０Ｖであって、後述する上下電極構造の従来の窒化物半導体発光ダイオード素子（比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子）よりも駆動電圧が低減できていたことが確認された。

（比較例１）
比較例１においては、図７の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、導電性基板５５上に、オーミック電極層５６、第１の接着用金属層５７、第２の接着用金属層５４、バリア層５３、反射層５２、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、発光層１０５、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４、ｎ型ＧａＮ下地層１０３およびパッド電極５８が順次形成された構成を有している。

なお、比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１０８、ｐ型トンネル接合層１０９、ｎ型トンネル接合層１１０、ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１１およびｎ型ＧａＮ層１１２が形成されていないこと以外は実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子と同一の構成となっている。

比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の２０ｍＡの電流注入時の駆動電圧は６．０Ｖであって、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子の２０ｍＡの電流注入時の駆動電圧と比べて高いことが確認された。その理由としては、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７とＡｇ層からなる反射層５２とのコンタクト抵抗が高いことが挙げられる。

なお、比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては駆動電圧を低減するためＰｄまたはＮｉ等の仕事関数の高い金属を数ｎｍ程度の薄膜としてｐ型ＧａＮコンタクト層１０７とＡｇ層からなる反射層５２との間に形成することも考えられるが、その場合には、ＰｄおよびＮｉは反射率が低いため、発光層１０５からの光が吸収され、光出力が低下するものと考えられる。

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。

本発明によれば、トンネル接合を有し、青色光（たとえば、波長４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下）を発光する窒化物半導体発光ダイオード素子等の窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図である。実施例１〜２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるｐ型ＩｎＧａＮ層の厚さと駆動電圧との関係を示す図である。実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるｐ型トンネル接合層の厚さと駆動電圧との関係を示す図である。実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子におけるｐ型トンネル接合層の厚さと光出力との関係を示す図である。実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。

符号の説明

１基板、２第１のｎ型窒化物半導体層、３発光層、４第１のｐ型窒化物半導体層、５第２のｐ型窒化物半導体層、６ｐ型窒化物半導体トンネル接合層、７ｎ型窒化物半導体トンネル接合層、８ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層、９第２のｎ型窒化物半導体層、１０ｎ側電極、１１ｐ側電極、５２反射層、５３バリア層、５４第２の接着用金属層、５５導電性基板、５６オーミック電極層、５７第１の接着用金属層、１０１サファイア基板、１０２ＧａＮバッファ層、１０３ｎ型ＧａＮ下地層、１０４ｎ型ＧａＮコンタクト層、１０５発光層、１０６ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０７ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０８ｐ型ＩｎＧａＮ層、１０９ｐ型トンネル接合層、１１０ｎ型トンネル接合層、１１１ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層、１１２ｎ型ＧａＮ層、１１３，１１４パッド電極。

Claims

基板と、前記基板上に形成された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層と前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層のインジウムの組成比が前記第２のｐ型窒化物半導体層のインジウムの組成比よりも大きく、前記第２のｐ型窒化物半導体層の厚さが臨界膜厚以上であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
前記第２のｐ型窒化物半導体層の厚さが２ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第２のｐ型窒化物半導体層におけるｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層におけるｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１のｐ型窒化物半導体層のバンドギャップが前記第２のｐ型窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、前記第２のｐ型窒化物半導体層のバンドギャップが前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はインジウムを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層のｎ型不純物のドーピング濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。