JP5474292B2 - 窒化物半導体発光ダイオード素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に関し、特に、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード素子に関する。

非特許文献１においては、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造からなる活性層上に１０ｎｍの厚さのＧａＮバリア層を積層した後にＡｇからなる金属層を形成し、活性層から非常に近い領域に金属層を位置させることにより、金属層中の金属特有のプラズモン効果により、フォトルミネッセンス（ＰＬ）によって、活性層の自然放出を増幅させ、発光効率の高い活性層を実現したことが報告されている。
Koichi Okamoto et al., "Surface plasmon enhanced spontaneous emission rate of InGaN/GaN quantum wells probed by time-resolved photoluminescence spectroscopy", APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 071102 (2005)

しかしながら、実際の窒化物半導体発光ダイオード素子の構造において、上記の金属層のプラズモン効果を得ることを目的として、活性層から数十ｎｍ以下の距離で金属層を位置させるためには、数十ｎｍ以下の距離よりも薄い層厚のｐ型窒化物半導体層を積層する必要がある。

このように薄い層厚のｐ型窒化物半導体層を有する窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型窒化物半導体層のキャリアの活性化率の低さによって、高キャリア濃度のｐ型窒化物半導体層を得ることが困難であるということから、ｐ型窒化物半導体層全体が空乏化してしまい、活性層にホールを供給することができないため、発光させるのが困難であるという問題があった。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することにある。

本発明は、透光性導電基板と、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層と、金属層とをこの順序でを含む窒化物半導体発光ダイオード素子であって、ｐ型窒化物半導体層上に形成された金属層を有し、活性層は少なくとも１つの井戸層を含んでおり、活性層中の井戸層のうち最もｐ型窒化物半導体層側に位置する井戸層のｐ型窒化物半導体層側の表面と、金属層のｐ型窒化物半導体層側の表面との間の距離が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であって、ｐ型窒化物半導体層はＡｌを含有するｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層を含み、ｐ型窒化物半導体層は、活性層側からｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層がこの順序で積層された構成となっており、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が１０％以上であって、金属層は、Ａｇ、Ａｇ合金、ＡｌおよびＰｔからなる群から選択される少なくとも１種からなり、活性層から金属層側に放射された光が、金属層で反射することによって、活性層から透光性導電基板側に放射された光とともに透光性導電基板側から取り出される窒化物半導体発光ダイオード素子である。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子は、活性層中の井戸層のうち最もｐ型窒化物半導体層側に位置する井戸層とｐ型窒化物半導体層との間にアンドープＡｌＧａＮ層を含むことが好ましい。

本発明によれば、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード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。

＜実施の形態１＞
図１に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体発光ダイオード素子は、正電極６上に、金属層５、ｐ型窒化物半導体層４、活性層３、ｎ型窒化物半導体層２、透光性導電基板１および負電極７がこの順に積層された構成を有している。そして、この窒化物半導体発光ダイオード素子においては、活性層３から金属層５側に放射された光は金属層５で反射することによって、活性層３から透光性導電基板１側に放射された光とともに、透光性導電基板１側から取り出される。

ここで、透光性導電基板１としては、導電性であって活性層３から放射された光を透過することが可能なものであれば特に限定なく用いることができる。

また、ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_1-x1-y1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にたとえばＳｉ等のｎ型ドーパントをドープしたもの等を用いることができる。ここで、ｎ型窒化物半導体層２は単層または複数層から構成され得る。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｎは窒素を示す。また、上記の式において、ｘ１はＡｌ組成比を示し、ｙ１はＩｎ組成比を示し、１−ｘ１−ｙ１はＧａ組成比を示す。

また、活性層３としては、少なくとも１つの井戸層を含む量子井戸構造を有するものが用いられ、本実施の形態においては井戸層３ｂとバリア層３ａとが交互にそれぞれ複数積層されたＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）構造を有するものが用いられている。しかしながら、本発明に用いられる活性層３としては、井戸層を１つ含むＳＱＷ（Single Quantum Well：単一量子井戸）が用いられていてもよい。

また、活性層３を構成する井戸層３ｂは、たとえば、Ａｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_1-x2-y2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶から構成することができる。また、活性層３を構成するバリア層３ａは、たとえば、Ａｌ_x3Ｉｎ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶から構成することができる。また、活性層３を構成する井戸層３ｂおよびバリア層３ａの少なくとも１つにＳｉ等のｎ型ドーパントおよび／またはＭｇ等のｐ型ドーパントがドープされてｎ型またはｐ型となっていてもよい。

なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｎは窒素を示す。また、上記の式において、ｘ２およびｘ３はそれぞれＡｌ組成比を示し、ｙ２およびｙ３はそれぞれＩｎ組成比を示し、（１−ｘ２−ｙ２）および（１−ｘ３−ｙ３）はそれぞれＧａ組成比を示す。

また、ｐ型窒化物半導体層４としては、Ａｌを含有するｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層を少なくとも１層含むものであれば特に限定なく用いることができる。ｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層としては、たとえば、Ａｌ_x4Ｉｎ_y4Ｇａ_1-x4-y4Ｎ（０＜ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にＭｇ等のｐ型ドーパントをドープしたもの等を用いることができる。また、ｐ型窒化物半導体層４がｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層以外の層を含む場合には、その層としては、たとえば、Ａｌ_x5Ｉｎ_y5Ｇａ_1-x5-y5Ｎ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１）の式で表わされる窒化物半導体結晶にＭｇ等のｐ型ドーパントをドープした少なくとも１層とすることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｎは窒素を示す。また、上記の式において、ｘ４およびｘ５はそれぞれＡｌ組成比を示し、ｙ４およびｙ５はそれぞれＩｎ組成比を示し、（１−ｘ４−ｙ４）および（１−ｘ５−ｙ５）はそれぞれＧａ組成比を示す。

また、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を得るためには、金属層５としては、Ａｇ、Ａｇ合金、ＡｌおよびＰｔからなる群から選択される少なくとも１種からなる金属層を用いることが好ましいが、より高いプラズモン効果を得るためには金属層５はＡｇまたはＡｇ合金からなる金属層を用いることが好ましい。

また、正電極６は正電極として機能するものであれば特に限定されず用いることができ、負電極７は負電極として機能するものであれば特に限定されず用いることができる。

ここで、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、金属層５におけるプラズモン効果をより高く得るためには、ｐ型窒化物半導体層４の層厚はより薄いことが好ましいが、ｐ型窒化物半導体層４側に形成される空乏層幅は以下の式（１）で算出される。

Ｗｄ＝（（２κε₀／ｑ）×（１／Ｎａ）×φ_bi）^1/2 …（１）
なお、上記の式（１）において、Ｗｄはｐ型窒化物半導体層４側に形成される空乏層幅を示し、φ_biはｐ型窒化物半導体層４の内部電位を示し、κはｐ型窒化物半導体層４の比誘電率を示し、ε₀はｐ型窒化物半導体層４の真空誘電率を示し、ｑは電子の電荷を示し、Ｎａはｐ型窒化物半導体層４におけるｐ型イオン化不純物濃度を示す。

ここで、ｐ型窒化物半導体層４がＡｌを含まないｐ型ＧａＮ層の単層から構成される場合には、たとえば、φ_bi≒３．４（Ｖ）、κ＝９．５、ε₀＝８．８５×１０^-14（Ｆ／ｃｍ）、ｑ＝１．６×１０^-19（Ｃ）、Ｎａ＝１×１０¹⁸（個／ｃｍ³）となるため、これらの数値を上記の式（１）に代入すると、Ｗｄ≒６０ｎｍとなる。したがって、この場合には、ｐ型窒化物半導体層４の層厚が６０ｎｍ以下であるときにはｐ型窒化物半導体層４の全体が空乏化してしまい、活性層３にホールを供給することができない。

また、ｐ型ＧａＮ層の単層であるｐ型窒化物半導体層４におけるｐ型イオン化不純物濃度Ｎａを１×１０¹⁸（個／ｃｍ³）以上とした場合には、ｐ型窒化物半導体層４側に形成される空乏層幅Ｗｄを小さくすることも可能であるが、ｐ型ＧａＮ層の単層からなるｐ型窒化物半導体層４におけるキャリアの活性化率を考慮するとＮａの値を１×１０¹⁸（個／ｃｍ³）以上に増大させるのは困難である。

さらに、ｐ型窒化物半導体層４から活性層３へのｐ型ドーパントの拡散を抑止するために活性層３中の井戸層３ｂとｐ型窒化物半導体層４との間にバリア層３ａを挿入することが発光効率の低下を抑止することが好ましく、そのバリア層３ａの層厚は少なくとも１０ｎｍは必要である。したがって、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と、金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄを７０ｎｍ以下とするのは、ｐ型窒化物半導体層４がｐ型ＧａＮ層の単層からなる場合には困難である。

そこで、ｐ型窒化物半導体層４がＡｌを含有する窒化物半導体結晶からなるＡｌ含有窒化物半導体層を少なくとも１層含む構成、特に、活性層３側からｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とをこの順序で積層した構成とすることにより、活性層３とｐ型ＡｌＧａＮ層との界面およびｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との界面で生じるピエゾ電界により、ｐ型窒化物半導体層４側に形成される空乏層幅Ｗｄを小さくすることができる。これにより、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と、金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄを７０ｎｍ以下とした場合（ｐ型窒化物半導体層４の層厚を６０ｎｍ以下とし、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂとｐ型窒化物半導体層４との間に設置されたバリア層３ａの層厚を１０ｎｍとした場合）でも活性層３へのホールの供給が可能となる。

ここで、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を得る観点からは、ｐ型窒化物半導体層４の構成としては、活性層３側からｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層がこの順序で積層された構成とすることが好ましい。

また、本発明においては、ｐ型窒化物半導体層４が活性層３側からｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層がこの順序で積層された構成である場合には、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比およびＧａ組成比は特に限定されないが、活性層３とｐ型ＡｌＧａＮ層との界面およびｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との界面で生じるピエゾ電界を効果的に発生させる観点から、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は１０％以上であることが好ましい。

なお、本発明において、Ａｌ組成比は、下記の式（２）により算出される。下記の式（２）において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示す。
Ａｌ組成比（％）＝１００×（ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌの原子数）／{（ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌの原子数）＋（ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＧａの原子数）＋（ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＩｎの原子数）} …（２）
また、ｐ型窒化物半導体層４がＡｌ含有窒化物半導体層を含む構成とした場合に、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と、金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄの下限は３０ｎｍとすることができる。したがって、本発明においては、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と、金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄは３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、ｐ型窒化物半導体層４からのｐ型ドーパントの拡散を有効に防止する観点からは、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂとｐ型窒化物半導体層４との間のバリア層３ａとしてアンドープＡｌＧａＮ層を設置することが好ましい。この場合には、バリア層３ａとしてアンドープのＧａＮ層を設置した場合と比べてピエゾ電界を効率的に発生させる層およびＭｇ等のｐ型ドーパントの拡散を抑止する層としての双方の機能が効果的に向上する傾向にある。

また、図１に示すように、窒化物半導体発光ダイオード素子は、活性層３に対してｎ型窒化物半導体層２側が光取り出し側となるフリップチップ型となるように実装されることが好ましい。

また、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子において、金属層５と正電極６との間には、たとえば、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）およびＭｏ（モリブデン）からなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる保護層が形成されていてもよい。

上述したように、図１に示す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４がＡｌを含有するｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層を含み、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄが７０ｎｍ以下とされているため、金属層５のプラズモン効果を効果的に得ることができ、金属層５のプラズモン効果によって高い発光効率が発現する。

＜実施の形態２＞
図２に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体発光ダイオード素子においては、活性層３から放射された光を透過することは可能であるが導電性を有しないサファイア基板等の絶縁性基板１００１を基板として用いており、負電極７がｎ型窒化物半導体層２に接触していることを特徴としている。

本実施の形態のように、サファイア基板等の絶縁性基板１００１を基板として用い、負電極７がｎ型窒化物半導体層２に接触している構成とした場合でも、ｐ型窒化物半導体層４がｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層を含む構成（特に、活性層３側からｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層をこの順序で積層した構成）とし、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄを７０ｎｍ以下とすることによって、金属層５のプラズモン効果を効果的に得ることができ、金属層５のプラズモン効果によって高い発光効率を発現させることができる。

なお、本実施の形態においても、金属層５と正電極６との間に、たとえば、Ｔｉ、Ｗ、ＴａおよびＭｏからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる保護層が形成されていてもよい。また、本実施の形態においても、上記の距離Ｄの下限は３０ｎｍとすることができる。その他の説明は実施の形態１と同様であるのでその説明は省略する。

＜実施の形態３＞
図３に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体発光ダイオード素子は、表面上に導電性基板９を別途用意し、この導電性基板９を接着金属層８を介して金属層５に貼り付けることによって作製されたことを特徴としている。

以下、図４（ａ）〜図４（ｄ）の模式的断面図を参照して、図３に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によって、サファイア基板等の絶縁性基板１００１上に、ｎ型窒化物半導体層２、井戸層３ｂとバリア層３ａとが交互に積層された活性層３、およびｐ型窒化物半導体層４をこの順序で形成する。そして、たとえば真空蒸着法またはスパッタリング法等によって、ｐ型窒化物半導体層４の表面上に金属層５を形成した後に、金属層５上に第１接着金属層８ａを形成する。

また、図４（ｂ）に示すように、導電性基板９上に第２接着金属層８ｂをたとえば真空蒸着法またはスパッタリング法等によって形成する。

続いて、図４（ｃ）に示すように、上記のようにして作製した絶縁性基板１００１上の第１接着金属層８ａと導電性基板９上の第２接着金属層８ｂとが向かい合うようにして重ね合わせ、共晶接合法等によって、第１接着金属層８ａと第２接着金属層８ｂとを接合したウエハを形成する。

その後、図４（ｄ）に示すように、そのウエハの絶縁性基板１００１側からレーザ光を照射すること等によって、ｎ型窒化物半導体層２の一部を溶融して絶縁性基板１００１を剥離する。そして、絶縁性基板１００１の剥離により露出したｎ型窒化物半導体層２の表面上に負電極７を形成した後にウエハをチップ状に分割することによって、図３に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子が得られる。ここで、接着金属層８は、図４（ｃ）に示す第１接着金属層８ａと第２接着金属層８ｂとが接合した層である。

本実施の形態においても、ｐ型窒化物半導体層４がｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層を少なくとも１層含む構成（特に、活性層３側からｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層をこの順序で積層した構成）とし、活性層３中の最もｐ型窒化物半導体層４側に位置する井戸層３ｂのｐ型窒化物半導体層４側の表面１００と金属層５のｐ型窒化物半導体層４側の表面１０１との間の距離Ｄを７０ｎｍ以下とすることによって、金属層５のプラズモン効果を効果的に得ることができ、金属層５のプラズモン効果によって高い発光効率を発揮させることができる。

また、本実施の形態においても、上記の距離Ｄの下限は３０ｎｍとすることができる。また、本実施の形態においては、金属層５と接着金属層８との間にたとえば、Ｔｉ、Ｗ、ＴａおよびＭｏからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる保護層および／または部分的にＳｉＯ₂層が形成されていてもよい。

また、導電性基板９としてｎ型Ｓｉ基板等の導電性半導体基板を用いた場合には、導電性基板９と接着金属層８との間にオーミックコンタクト層が設置されていてもよい。たとえば、導電性基板９がＳｉからなる場合には、オーミックコンタクト層としてはＴｉ、Ｗ等の金属からなる層を用いることができる。また、オーミックコンタクト層と第２接着金属層５ｂとの間にはＰｔ等の金属からなる保護層が形成されていてもよい。

また、本実施の形態において、第１接着金属層８ａとしてはたとえばＡｕ等を用いることができ、第２接着金属層８ｂとしてはたとえばＡｕＳｎ、ＡｕＧｅまたはＡｕＳｉ等を用いることができる。

なお、その他の説明は実施の形態１と同様であるのでその説明は省略する。

＜実施例１＞
実施例１においては、図５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においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の層厚を１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でそれぞれ変更した複数の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

なお、図５に示すように、実施例１で作製した窒化物半導体発光ダイオード素子は、導電性基板２１上に、オーミック電極層２２、第２の接着用金属層２３、第１の接着用金属層２０、保護層１９、反射層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ井戸層１５ｂとＧａＮバリア層１５ａとが交互に積層された活性層１５、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４、ｎ型ＧａＮ下地層１３、負電極２４がこの順序で積層された構成を有している。なお、この窒化物半導体発光ダイオード素子においては、導電性基板２１が正電極として機能している。

以下に、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について説明する。まず、図６の模式的断面図に示すように、サファイア基板１１を用意し、そのサファイア基板１１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１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、サファイア基板１１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１１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、図７の模式的断面図に示すように、サファイア基板１１の表面（Ｃ面）上にノンドープのＧａＮバッファ層１２をＭＯＣＶＤ法により約２０ｎｍの厚さでサファイア基板１１上に成長させた。

次いで、サファイア基板１１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ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ下地層１３（キャリア濃度：１×１０¹⁸個／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法により６μｍの厚さでＧａＮバッファ層１２上に成長させた。

続いて、キャリア濃度が５×１０¹⁸個／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１３と同様にして、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４をＭＯＣＶＤ法により０．５μｍの厚さでｎ型ＧａＮ下地層１３上に成長させた。

次に、サファイア基板１１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、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ井戸層１５ｂと１０ｎｍの厚さのＧａＮバリア層１５ａとを交互に６周期だけＭＯＣＶＤ法により成長させて、多重量子井戸構造を有する活性層１５をｎ型ＧａＮコンタクト層１４上に形成した。なお、活性層１５の形成時において、ＧａＮバリア層１５ａ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１１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、図９の模式的断面図に示すように、Ｍｇが１×１０²⁰個／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１６をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さで活性層１５上に成長させた。

次に、サファイア基板１１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個／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１７をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６上に成長させた。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７は、窒化物半導体発光ダイオード素子の作製ごとに１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でそれぞれ層厚を変えて成長させた。

次に、サファイア基板１１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。

次に、上記のアニーリング後に、図１０の模式的断面図に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７上に、層厚１５０ｎｍのＡｇ膜からなる反射層１８、層厚５０ｎｍのＭｏ膜からなる保護層１９および層厚３μｍのＡｕ膜からなる第１の接着用金属層２０をこの順序でＥＢ（Electron Beam）蒸着法により形成した。

次に、図１１の模式的断面図に示すように、厚さ１２０μｍの導電性Ｓｉからなる導電性基板２１上に、ＥＢ蒸着法により、厚さ１５ｎｍのＴｉ膜と厚さ１５０ｎｍのＡｌ膜とをこの順序で積層したオーミック電極層２２、および厚さ１００ｎｍのＡｕ膜と厚さ３μｍのＡｕＳｎ膜をこの順序で積層した第２の接着用金属層２３をこの順序で形成した。

その後、図１２の模式的断面図に示すように、導電性基板２１の第２の接着用金属層２３上に、サファイア基板１１上の第１の接着用金属層２０を設置した後に、第１の接着用金属層２０と第２の接着用金属層２３とを共晶接合法によって接合することによってサファイア基板１１上に上記で作製した導電性基板２１を接合した図１３の模式的断面図に示す窒化物半導体層積層ウエハを形成した。ここで、第１の接着用金属層２０と第２の接着用金属層２３との共晶接合時の温度は２９０℃とした。

続いて、図１３に示す窒化物半導体層積層ウエハのサファイア基板１１側からレーザ光を照射しＧａＮバッファ層１２を溶融することによって、サファイア基板１１とともにＧａＮバッファ層１２を除去してｎ型ＧａＮ下地層１３の表面を露出させた。

そして、図５に示すように、露出したｎ型ＧａＮ下地層１３の表面の中央部に、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層体からなる負電極２４を形成し、その後、負電極２４の形成後の窒化物半導体層積層ウエハをチップ状に分割することによって、図５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。

図５に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の層厚を窒化物半導体発光ダイオード素子の作製ごとに１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でそれぞれ変えて成長させていることから、各作製ごとに活性層１５中の最もｐ型窒化物半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７）側に位置する井戸層１５ｂの表面１００と、反射層１８のｐ型窒化物半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７）側の表面１０１との間の距離Ｄが異なっていることになる。

上記の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率を測定した結果、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の層厚が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の場合（すなわち、上記の距離Ｄが４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の場合）に発光効率が増大することが確認された。

＜実施例２＞
実施例２においては、図５に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６のＡｌ組成比をそれぞれ変更した複数の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

実施例２における窒化物半導体発光ダイオード素子の作製においては、まず、活性層１５を形成するところまでは実施例１と同様にして行なった。

次に、サファイア基板１１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を反応炉内に流して、図９の模式的断面図に示すように、Ｍｇが１×１０²⁰個／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ≦０．４）からなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６をＭＯＣＶＤ法により２０ｎｍの厚さで活性層１５上に成長させた。

ここで、実施例２においては、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６のＡｌ組成比を各窒化物半導体発光ダイオード素子の作製ごとに変更してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６を成長させた。

次に、サファイア基板１１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個／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１７をＭＯＣＶＤ法により３０ｎｍの厚さでｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６上に成長させた。

その後は、実施例１と同様にして、各窒化物半導体発光ダイオード素子の作製ごとにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６のＡｌ組成比の異なるようにして、複数の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

そして、上記の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率を測定した結果、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６のＡｌ組成比が１０％以上であるときに、発光効率が増大することが確認された。

＜実施例３＞
実施例３においては、図５に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子の反射層１８の材料をそれぞれ変更した複数の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

実施例３における窒化物半導体発光ダイオード素子の作製においては、まず、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を形成するところまでは実施例１と同様にして行なった。

次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を形成したサファイア基板１１についてアニーリングした後に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７の表面上に反射層１８の材料の種類を各窒化物半導体発光ダイオード素子の作製ごとに変更して反射層１８を１５０ｎｍの層厚で作製した。ここで、反射層１８の材料としては、Ｐｄ、Ｃｕを１質量％以下の含有量で含むＡｇ合金、ＰｔおよびＡｌがそれぞれ用いられた。

その後は、実施例１と同様にして、各窒化物半導体発光ダイオード素子の作製ごとに反射層１８の材料の異なる複数の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

そして、上記の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率を測定した結果、上記の距離Ｄが７０ｎｍ以下となる条件では、上記の反射層１８にＡｇ合金を用いた窒化物半導体発光ダイオード素子が反射層１８にＡｇを用いた実施例１で作製した窒化物半導体発光ダイオード素子と同程度の発光効率を有していることが確認された。

なお、反射層１８にＰｔおよびＡｌを用いた窒化物半導体発光ダイオード素子は、反射層１８にＡｇを用いた実施例１で作製した窒化物半導体発光ダイオード素子ほどではないものの高い発光効率を有することが確認された。

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、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図３に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例について図解する模式的な断面図である。 実施例で作製された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。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。 図５に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について図解する模式的な断面図である。

符号の説明

１ 透光性導電基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３，１５ 活性層、３ａ バリア層、３ｂ 井戸層、４ ｐ型窒化物半導体層、５ 金属層、６ 正電極、７，２４ 負電極、８ 接着金属層、８ａ 第１接着金属層、８ｂ 第２接着金属層、９，２１ 導電性基板、１１ サファイア基板、１２ ＧａＮバッファ層、１３ ｎ型ＧａＮ下地層、１４ ｎ型ＧａＮコンタクト層、１５ａ ＧａＮバリア層、１５ｂ Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ井戸層、１６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１７ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１８ 反射層、１９ 保護層、２０ 第１の接着用金属層、２２ オーミック電極層、２３ 第２の接着用金属層、１００，１０１ 表面、１００１ 絶縁性基板。

Claims (2)

1. 透光性導電基板と、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層と、金属層とをこの順序で含む窒化物半導体発光ダイオード素子であって、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された前記金属層を有し、
   前記活性層は少なくとも１つの井戸層を含んでおり、
   前記活性層中の前記井戸層のうち最もｐ型窒化物半導体層側に位置する井戸層の前記ｐ型窒化物半導体層側の表面と、前記金属層の前記ｐ型窒化物半導体層側の表面との間の距離が４０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であって、
   前記ｐ型窒化物半導体層はＡｌを含有するｐ型Ａｌ含有窒化物半導体層を含み、
   前記ｐ型窒化物半導体層は、前記活性層側からｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層がこの順序で積層された構成となっており、
   前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が１０％以上であって、
   前記金属層は、Ａｇ、Ａｇ合金、ＡｌおよびＰｔからなる群から選択される少なくとも１種からなり、
   前記活性層から前記金属層側に放射された光が、前記金属層で反射することによって、前記活性層から前記透光性導電基板側に放射された光とともに前記透光性導電基板側から取り出される、窒化物半導体発光ダイオード素子。
2. 前記活性層中の前記井戸層のうち最もｐ型窒化物半導体層側に位置する前記井戸層と前記ｐ型窒化物半導体層との間にアンドープＡｌＧａＮ層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。

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