JP5741350B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体を積層して形成された発光素子に関する。

多くの貫通転位を有する窒化物半導体素子において、静電耐圧特性を保持または向上させることを目的として、ツェナーダイオード（保護素子）を装着すること、またはある程度の厚みを有する抵抗の異なる層を窒化物半導体層に挿入して電流拡散性を改良することが行われてきた。しかし、保護素子の導入はコストアップにつながり、また、小さい製品では保護素子を搭載し得るスペースがない等の問題が存在する。更に、窒化物半導体層に抵抗の異なる層を挿入する場合、電流拡散性は向上して静電耐圧特性が改善されるが、それと同時に、抵抗が高くなることにより順方向電圧Ｖ_ｆにおける閾値も上がってしまうという問題が生じる。

特開２００６−１２８５２７号公報 国際公開第２００８／１１７７８８号 特開平８−７０１３９号公報

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、コストおよび閾値電圧を上昇させることなく、静電耐圧特性を向上させた発光素子を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層、およびｐ側窒化物半導体層が順に積層され、
前記ｎ側窒化物半導体層上および前記ｐ側窒化物半導体層上に、それぞれｎ側電極およびｐ側電極が設けられた発光素子において、
前記ｎ側窒化物半導体層が、前記ｎ型電極と接する上部ｎ型コンタクト層と下部ｎ型コンタクト層とで構成されるｎ型コンタクト層を有し、
前記上部ｎ型コンタクト層と前記下部ｎ型コンタクト層との間に、前記上部ｎ型コンタクト層および前記下部ｎ型コンタクト層のいずれとも組成の異なるＡｌＮ層が設けられており、
前記ＡｌＮ層と前記ｎ側電極との間の距離が、前記ＡｌＮ層と前記基板との間の距離よりも短いことを特徴とする。

前記ＡｌＮ層と前記ｎ側電極との間の距離は、前記下部ｎ型コンタクト層の厚さよりも短いことが好ましい。前記ＡｌＮ層と前記ｎ側電極との間の距離は、好ましくは０．１μｍ〜３．０μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜２．０μｍ、よりいっそう好ましくは０．１μｍ〜１．０μｍである。

前記ＡｌＮ層の厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜５ｎｍ、よりいっそう好ましくは３ｎｍ〜４ｎｍである。

前記上部ｎ型コンタクト層および下部ｎ型コンタクト層は、ＧａＮ層であることが好ましい。

本発明の発光素子は、ｐ側窒化物半導体層において更に、ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層が、ｐ型コンタクト層と活性層との間でｐ型コンタクト層と接するように設けられていることが好ましい。

本発明に係る発光素子によれば、ｎ型コンタクト層が、ｎ型コンタクト層と組成の異なる（即ちバンドギャップの異なる）ＡｌＮ層（以下、ｎ側ＡｌＮ層ともよぶ）と接していることにより、ｎ型コンタクト層とｎ側ＡｌＮ層との界面においてキャリア移動度が増加し、電流拡散性が向上する。ｎ型コンタクト層とｎ側ＡｌＮ層との界面において電流が拡散されることにより、比較的結晶性の脆い活性層が保護され、静電耐圧特性を向上させることができる。

図１は、（ａ）が従来の発光素子、（ｂ）が本発明の発光素子を示す概念図である。 図２は、本発明の発光素子のｎ側ＡｌＮ層の挿入位置と、静電耐圧特性との関係を示すグラフである。 図３は、アンドープＧａＮとＡｌＮとの界面におけるキャリア移動度測定結果を示すグラフである。 図４は、本発明の発光素子のｎ側ＡｌＮ層の厚さと、静電耐圧特性との関係を示すグラフである。 図５は、本発明の発光素子のｎ側ＡｌＮ層の厚さと、順方向電圧Ｖ_ｆとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための態様を例示するものであって、本発明を以下のものに限定しない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は限定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。更に、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよく、一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図１は、従来の発光素子（ａ）および本発明の発光素子（ｂ）の概念図である。図１（ａ）に示す従来の発光素子は、サファイアからなる基板１の上に、Ｓｉ等のｎ型不純物を含むｎ側窒化物半導体層、活性層３、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むｐ側窒化物半導体層４が順に積層されている。ｎ側窒化物半導体層はｎ型コンタクト層２を含む。ｎ側窒化物半導体層はｎ型コンタクト層２以外の層を含んでもよい。ｐ側窒化物半導体層４の上にｐ側透光性電極５ａとｐ側パッド電極５ｂとからなるｐ側電極５が形成されており、ｐ側窒化物半導体層４より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたｎ型コンタクト層２の表面にｎ側電極６が形成されている。一方、図１（ｂ）に示す本発明の発光素子は、下部ｎ型コンタクト層２ａと上部ｎ型コンタクト層２ｂとの間に、下部および上部ｎ型コンタクト層のいずれとも組成の異なるＡｌＮ層７が更に設けられている。

ｎ型コンタクト層２およびｎ側ＡｌＮ層７は互いに組成が異なり、従って格子定数が異なる。そのため、発光素子に電圧をかけると、ｎ型コンタクト層２とｎ側ＡｌＮ層７との界面において、その格子定数の差に起因するピエゾ電界が発生する。これにより、前記界面においてキャリア移動度が増大し、前記界面において電流が横方向に拡散される。図１（ａ）に示す従来の発光素子と比較して、本発明の発光素子において電流が拡散される様子を、図１（ｂ）にて矢印で模式的に示している。ｎ型コンタクト層２とｎ側ＡｌＮ層７との界面において電流が拡散されることにより、活性層３の一部に電流が集中して注入されることがなくなり、比較的結晶性の脆い活性層が保護され、静電耐圧特性が向上する。

このようなｎ側ＡｌＮ層７は、アンドープＡｌＮ層であってもよく、安定した混晶比で半導体結晶を成長させることができるため好ましい。

また、ｎ側ＡｌＮ層７とｎ側電極６との距離が短いほど、キャリア移動度の高い界面近傍に電流が流れ易くなることとなって、前記界面における電流拡散の効果が大きくなり、従って静電耐圧特性が向上する。従って、ｎ側電極６を形成するために窒化物半導体層をエッチング除去する際に、ｎ側ＡｌＮ層７上に残される上部ｎ型コンタクト層２ｂの厚さは、できるだけ薄いことが好ましい。一方、エッチング精度に応じて一定厚さの上部ｎ型コンタクト層２ｂをｎ側ＡｌＮ層上に残す必要がある。このため、ｎ側ＡｌＮ層７とｎ側電極６との間の距離は、基板１とｎ側電極６との間の距離の１／２よりも短いことが好ましい。具体的には、ｎ側ＡｌＮ層７とｎ側電極６との間の距離は、０．１μｍ〜３．０μｍ、好ましくは０．１μｍ〜２．０μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜１．０μｍである。

ｎ側ＡｌＮ層７の厚さは、好ましくは１．０ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１．０ｎｍ〜５．０ｎｍである。ｎ側ＡｌＮ層７の厚さをこのように設定すると、ｎ側ＡｌＮ層７とｎ型コンタクト層２との界面におけるキャリア移動度の増加が顕著であり、従って静電耐圧特性を効率的に向上させることができる。特に、ｎ側ＡｌＮ層７の厚さを３．０〜４．０ｎｍとすることがよりいっそう好ましい。ｎ側ＡｌＮ層７の厚さを３．０ｎｍ以上とした場合、結晶欠陥の少ない層としてｎ側ＡｌＮ層７を形成することができるので、静電耐圧特性を更に向上させることができる。ｎ側ＡｌＮ層７の厚さを４．０ｎｍ以下とした場合、比較的抵抗値の高いｎ側ＡｌＮ層７を形成したとしても、順方向電圧Ｖ_ｆにおける閾値の上昇を軽減することができる。

更に、ｐ側窒化物半導体層４において、ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層（以下、ｐ側ＡｌＮ層ともよぶ）を、ｐ型コンタクト層と活性層との間にｐ型コンタクト層と接するように設けることにより、発光素子の静電耐圧特性を更に向上させることができる。

ｐ側ＡｌＮ層を挿入することにより静電耐圧特性が向上する理由としては、以下のことが考えられる。ｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層の組成が互いに異なり、従って格子定数が異なることにより、発光素子に電圧をかけると、ｐ型コンタクト層とｐ側ＡｌＮ層との界面において、その格子定数の差に起因するピエゾ電界が発生する。これにより、前記界面においてキャリア移動度が増大し、前記界面において電流が横方向に拡散される。このように電流が拡散することにより、静電耐圧特性が向上すると考えられる。

以下に、本発明に係る発光素子の一例について、その各構成を詳細に説明するが、以下に説明する全ての構成物が必須ではなく、それらのいくつかを省略または変更することができる。
本発明の発光素子は、基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層、ｐ側窒化物半導体層が順に積層されており、ｐ側窒化物半導体層の上にｐ側透光性電極およびｐ側パッド電極からなるｐ側電極が形成され、ｐ側窒化物半導体層より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたｎ型コンタクト層の表面にｎ側電極が形成されている。

〔基板〕
基板は、サファイアのＣ面、Ｒ面、Ａ面の他、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）等の絶縁性基板、ＳｉＣ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。

〔ｎ側窒化物半導体層〕
本実施形態に係るｎ側窒化物半導体層は、少なくとも基板側から順に、バッファ層、下部ｎ型コンタクト層、ｎ側ＡｌＮ層、上部ｎ型コンタクト層、アンドープ半導体層及びｎ型多層膜層が積層されている。

（バッファ層）
バッファ層は、基板上に形成されており、基板と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和して、結晶性の高い窒化物半導体層をその上に形成するための低温成長層である。バッファ層は、最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。このようなバッファ層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、温度５００〜８００℃で１０〜５０ｎｍの厚さに成長させて形成することが好ましい。

更に、このバッファ層の上に第２のバッファ層を更に形成してもよい。第２バッファ層は、後述のｎ型コンタクト層よりｎ型不純物のドープ量が少ない、またはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、上述の第１のバッファ層より高い温度、例えば８００〜１３００℃で、０．５〜３．０μｍの厚さに成長させて形成する。第２バッファ層は、不純物ドープ量が少ない（またはゼロである）ので高い結晶性を有する。そのため、結晶性の高い下部ｎ型コンタクト層をその上に形成することができる。

（下部および上部ｎ型コンタクト層）
下部および上部ｎ型コンタクト層は、その組成が特に限定されるものではなく、例えば、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ又はＧａＮからなる層であることが好ましい。このような組成にすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。下部および上部ｎ型コンタクト層は、Ｓｉ等のｎ型不純物を含有しており、その濃度は、窒化物半導体の結晶性を悪化しない程度に高いことが好ましい。例えば、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、５×１０^２１／ｃｍ^３以下が挙げられる。
下部ｎ型コンタクト層は、バッファ層上に９００〜１３００℃の温度で成長させて形成するが、その膜厚は特に限定されるものではない。例えば、１．０μｍ程度以上、好ましくは２．０μｍ程度以上とすることでシート抵抗を低減することができるが、ウェハの反り軽減などを考慮して２．０〜８．０μｍの厚さに形成するのが好ましい。
また、上部ｎ型コンタクト層は、後述するｎ側ＡｌＮ層が基板よりもｎ側電極側に配置されるように形成するのが好ましい。例えば、後述するｎ側電極を形成する際の上部ｎ型コンタクト層がエッチングされる深さを考慮して、ｎ側ＡｌＮ層上に９００〜１３００℃の温度で１．０〜４．０μｍ程度の厚さに成長させて形成するのが好ましい。

（ｎ側ＡｌＮ層）
ｎ側ＡｌＮ層は、下部および上部ｎ型コンタクト層との界面において、キャリア移動度を増大させ、ｎ側電極から流れ込む電流を横方向に拡散するための層である。ｎ側ＡｌＮ層は、下部ｎ型コンタクト層上に、下部および上部ｎ型コンタクト層のいずれとも組成（又は格子定数）の異なるＡｌＮを、１〜１０ｎｍの厚さで成長させて形成する。例えば、下部および上部ｎ型コンタクト層としてＧａＮを成長させる場合には、ｎ側ＡｌＮ層としてＡｌＮを成長させる。なお、ｎ側ＡｌＮ層は、ｎ型不純物のドープの有無に関わらず、電流拡散効果を得ることができる。

（アンドープ半導体層）
アンドープ半導体層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられる。なかでも、アンドープ半導体層は、ＧａＮ、ｘ及び／又はｙが０．２以下のＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、Ｉｎ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎが好ましく、更に、ＧａＮからなる層を含むことが好ましい。このような組成により、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が容易に得られる。
アンドープ半導体層は、単層で形成されていてもよいが、多層で形成されていることが好ましい。アンドープ半導体層が多層で形成される場合、その全ての層が、ｎ型不純物を含有しないアンドープ層とすることは必要ではなく、少なくとも１層がアンドープ層であればよい。また特に、アンドープ半導体層は、同じ組成のアンドープ層とドープ層とが交互に積層された層であることが好ましい。これらの交互の積層は、例えば、３層以上であることが好ましく、５層程度以下であることが適しており、アンドープ層とドープ層とのいずれが最下層及び／又は最上層であってもよい。具体的には、上部ｎ型コンタクト層の上に、アンドープＧａＮからなる厚さ５０〜１５０ｎｍの第１の層を成長させ、その上に、Ｓｉを１×１０^１８〜９×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなる厚さ１〜５０ｎｍの第２の層を成長させ、これを２回繰り返した後に、更にアンドープＧａＮを１〜１０ｎｍの厚さに成長させて、総膜厚が１０３〜４１０ｎｍのアンドープ半導体層を形成する。このように、不純物がドープされていない、従ってキャリア移動度の高いアンドープＧａＮ層と、不純物がドープされた、従ってキャリア濃度の高い層とが交互に存在することにより、順方向電圧Ｖ_ｆにおける閾値が低下する。第１の層は、第２の層よりもＳｉドープ量の少ないＳｉドープＧａＮであってもよい。

なお、本明細書において「アンドープ」とは、成膜時に不純物を導入することなく形成された層であって、成膜後及び／又は製造工程における熱処理等によって上下層から拡散されて不純物が混入された層を意味するのではない。つまり、不純物濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３程度以下に留められている層を、実質的に「アンドープ」の層と称する。

（ｎ型多層膜層）
ｎ型多層膜層は、組成の異なる少なくとも２種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられる。特に、ｎ型多層膜層は、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）（第１層）とＩｎ_ｐＧａ_１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）（第２層）との２種類の組成からなる層が交互に積層されるのが好ましい。第１層は、ｚが小さいほど、つまりアルミニウム含有量が小さいほど、結晶性が良好になるため、ｚ＝０であるＧａＮからなる層が好ましい。第２層は、ｐが０．５以下の層が好ましく、ｐが０．２以下の層がより好ましい。なかでも、ｎ型多層膜層としては、第１層がＧａＮであり、第２層においてｐが０．２以下のＩｎ_ｐＧａ_１−ｐＮであるのが好ましい。
また、ｎ型多層膜層を構成する単一層（つまり、第１層又は第２層）の膜厚は特に限定されないが、少なくとも１種類の単一層の膜厚を、１０ｎｍ以下とすることが適しており、７ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。より具体的には、アンドープ半導体層の上に、ＧａＮからなる厚さ１〜５ｎｍの第１の層を成長させ、その上に、ＩｎＧａＮからなる厚さ０．５〜３ｎｍの第２の層を成長させ、これを２０回繰り返した後に、更にＧａＮを１〜５ｎｍの厚さに成長させて、総膜厚が３１〜１６５ｎｍのｎ型多層膜層を形成する。このように単一層の膜厚を薄くすることにより、ｎ型多層膜層が超格子構造となると共に、弾性臨界膜厚以下となり、ｎ型多層膜層における各単一層の結晶性が良好となる。よって、積層が進むにつれて、より結晶性を向上させることができ、光出力の向上を実現させることができる。

〔活性層〕
活性層として、少なくともＩｎを含んでなる窒化物半導体、好ましくはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を含む井戸層と、障壁層とを有する多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造を用いることができる。井戸層や障壁層の膜厚は、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とすることが望ましい。特に井戸層は薄い方が好ましく、１０ｎｍ以下、更に好ましくは１〜５ｎｍとすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層が得られる。
活性層が多重量子井戸構造からなる場合、出力の向上、発振閾値の低下などを図ることが可能となる。井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でもよい。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成、不純物量等の異なる障壁層を複数設けてもよい。
このような障壁層としては、特に限定されないが、井戸層よりＩｎ含有率の低い窒化物半導体、ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを含むことが望ましい。障壁層の厚さや組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。

〔ｐ側窒化物半導体層〕
本実施形態に係るｐ側窒化物半導体層は、少なくとも活性層側から順に、ｐ側クラッド層、ｐ型コンタクト層が積層されている。

（ｐ側クラッド層）
ｐ側クラッド層は、ｐ型不純物を含有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも２層の積層構造が挙げられる。なかでも、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも２層の積層構造が好ましい。例えば、本実施形態におけるｐ側クラッド層は、活性層の上に、ＭｇドープＡｌＧａＮを１０〜５０ｎｍの厚さに成長させ、更にその上にアンドープＧａＮを５０〜１００ｎｍの厚さで成長させて形成する。
また、ｐ側クラッド層を積層構造とする場合、各層の膜厚を１０ｎｍ程度以下としてもよく、更には７ｎｍ程度以下、５ｎｍ程度以下とすることができる。このような薄膜に形成することにより、ｐ側クラッド層が超格子構造となるため、結晶性を向上させることができる。その結果、ｐ型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さい層が得られ、発光素子のＶ_ｆ及び閾値等が低下し易い傾向にある。
また、ｐ側クラッド層は、ｐ型不純物濃度が、例えば、１×１０^２２／ｃｍ^３程度以下が好ましく、５×１０^２０／ｃｍ^３程度以下がより好ましい。ｐ型不純物濃度の下限は特に限定されないが、５×１０^１６／ｃｍ^３程度以上が適している。ただし、積層構造においては、全ての層にｐ型不純物が含有されていなくてもよい。

（ｐ側ＡｌＮ層）
場合により、前述のｐ側クラッド層と、後述のｐ型コンタクト層との間に、ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層（ｐ側ＡｌＮ層）を設けることにより、発光素子の静電耐圧特性を更に向上させることができる。ｐ側ＡｌＮ層の挿入位置はこれに限らず、ｐ型コンタクト層と活性層との間にｐ型コンタクト層と接するように設けられる構成であれば、静電耐圧特性向上の効果を得ることができる。ｐ側ＡｌＮ層の厚さは、１〜１０ｎｍであることが好ましい。なお、ｐ側ＡｌＮ層は、ｐ型不純物のドープの有無に関わらず、電流拡散効果を得ることができる。

（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる層が挙げられ、なかでも、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮからなる層が好ましく、ＧａＮからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
ｐ型コンタクト層の膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、５０ｎｍ程度以上であることが好ましく、６０ｎｍ程度以上であることがより好ましい。
不純物濃度は、例えば、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、５×１０^２１／ｃｍ^３以下が挙げられる。

〔ｐ側電極およびｎ側電極〕
ｐ側電極およびｎ側電極は、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
例えば本実施形態に係るｐ側電極は、ｐ型コンタクト層の上に、ｐ側透光性電極およびｐ側パッド電極が順に形成して構成される。ｐ側透光性電極は、光の取出効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物（ＩＴＯやＺｎＯ等）等が挙げられる。
また、ｎ側電極は、ｐ側窒化物半導体層より窒化物半導体層の一部を１．０〜１．５μｍ程度の深さでエッチング除去して上部ｎ型コンタクト層を露出させ、露出された上部ｎ型コンタクト層の表面に形成される。ｎ側ＡｌＮ層とｎ側電極との間の距離は、基板とｎ側電極との間の距離の１／２よりも短いことが好ましい。より具体的には、ｎ側ＡｌＮ層とｎ側電極との間の距離は、０．１μｍ〜３．０μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜２．０μｍ、更に好ましくは０．１μｍ〜１．０μｍである。これにより、ｎ側電極から流れ込む電流が、キャリア移動度の高いｎ側Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層との界面近傍に流れ易くなるため、静電耐圧特性を向上させることができる。

以下に、本発明に係る実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
本発明の実施例１の発光素子を以下の工程に従って作製した。

（基板）
サファイア（Ｃ面）からなる基板をＭＯＣＶＤの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を９００℃〜１２００℃程度まで上昇させ、基板のクリーニングを行った。

（第１バッファ層）
続いて、温度を５００〜８００℃程度まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いて、基板上にアンドープＡｌＧａＮを約２０ｎｍの厚さに成長させて、第１バッファ層を形成した。

（第２バッファ層）
第１バッファ層を形成した後、ＴＭＡのみを止めて、温度を８００〜１３００℃程度まで上昇させた後、原料ガスにＴＭＧおよびアンモニアガスを用いてアンドープＧａＮを約２．０μｍの厚さに成長させ、第２バッファ層を形成した。

（ｎ型コンタクト層およびｎ側ＡｌＮ層）
次に、温度９００〜１３００℃程度で、原料ガスにＴＭＧおよびアンモニア、不純物ガスにシランを用いて、Ｓｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮを約２．０μｍの厚さに成長させ、下部ｎ型コンタクト層を形成した。
ｎ型コンタクト層の上に、温度９５０〜１３５０℃程度でＴＭＡおよびアンモニアガスを用いて、ＡｌＮを約１．５ｎｍの厚さに成長させ、ｎ側ＡｌＮ層を形成した。
続いて、温度を再び９００〜１３００℃程度に設定し、ＴＭＧ、アンモニアガスおよびシランガスを用いて、Ｓｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮを約４．０μｍの厚さに成長させ、上部ｎ型コンタクト層を形成した。

（アンドープ半導体層）
次に、シランガスのみを止め、温度９００〜１３００℃程度で、ＴＭＧおよびアンモニアガスを用いて、アンドープＧａＮからなる第１の層を約１５０ｎｍの厚さに成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加し、Ｓｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなる第２の層を約２０ｎｍの厚さに成長させた。これを繰り返して計２回行い、最後に、シランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる層を約１０ｎｍの厚さに成長させて、５層からなる総厚さ約３５０ｎｍのアンドープ半導体層を形成した。

（ｎ型多層膜層）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮからなる第１の層を約１．５ｎｍ成長させ、次に温度を８００〜１０００℃程度にして、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて、アンドープＩｎＧａＮからなる第２の層を約１ｎｍ成長させた。そしてこれらの操作を繰り返して交互に２０層ずつ積層させ、最後にＧａＮからなる第１の窒化物半導体層を約１．５ｎｍ成長させて、超格子構造を有する総厚さ約５１．５ｎｍのｎ型多層膜層を形成した。

（活性層）
温度９００〜１３００℃程度にてＴＭＧ、アンモニアガスおよびシランガスを用いて、ＳｉドープＧａＮを約３．５ｎｍ成長させた後、シランガスのみを止め、ＧａＮを約１．５ｎｍ成長させて、厚さ約５ｎｍの障壁層を形成した。
次に、温度６００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて、アンドープＩｎＧａＮからなる井戸層を約３ｎｍの厚さに成長させ、続いてＴＭＧおよびアンモニアを用いてアンドープＧａＮからなる障壁層を約５ｎｍの厚さに成長させた。そして、井戸＋障壁＋井戸＋障壁＋・・・・＋障壁の順で井戸層を９層、障壁層を９層、交互に積層して、総厚さ約７２ｎｍの多重量子井戸構造からなる活性層を形成した。

（ｐ側クラッド層）
次に、温度９００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアおよびＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＡｌＧａＮを約１０ｎｍの厚さに成長させ、続いてＴＭＧおよびアンモニアを用いて、アンドープＧａＮを約８０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ側クラッド層を形成した。

（ｐ型ＧａＮコンタクト層）
アンドープＧａＮ層の上に、温度９００〜１０００℃程度にてＴＭＧ、アンモニアおよびＣｐ_２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮを約５０ｎｍの厚さに成長させ、ｐ型コンタクト層を形成した。

反応終了後、温度を室温まで下げ、更に窒素雰囲気の反応容器内において、ウェハを３００℃〜７００℃程度でアニールし、ｐ側窒化物半導体層を更に低抵抗化した。

（電極）
次に、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側から約１．５μｍの深さでエッチングを行い、ｎ型コンタクト層の表面を露出させた。
続いて、ｐ型コンタクト層上のほぼ全面にＩＴＯからなるｐ側透光性電極を形成した。次に、形成したｐ側透光性電極上およびエッチングにより露出させたｎ型コンタクト層上に、ｐ側パッド電極及びｎ側電極をそれぞれ形成した。このとき、本実施例においては、ｎ側電極とｎ側ＡｌＮ層との距離は約３．０μｍに設定された。

最後に、ウェハを各チップに切断して発光素子を得た。

［実施例２］
実施例２の発光素子は、ｎ型コンタクト層を約３．０μｍ成長させた後、ＡｌＮを約１．５ｎｍ成長させ、その上に再びｎ型コンタクト層を約３．０μｍ成長させ、エッチング除去によりｎ側電極とｎ側ＡｌＮ層との間の距離を約２．０μｍに設定する以外は、実施例１と同様の手順で作製した。

［実施例３］
実施例３の発光素子は、ｎ型コンタクト層を約４．０μｍ成長させた後、ＡｌＮを約１．５ｎｍ成長させ、その上に再びｎ型コンタクト層を約２．０μｍ成長させ、エッチング除去によりｎ側電極とｎ側ＡｌＮ層との間の距離を約１．０μｍに設定する以外は、実施例１と同様の手順で作製した。

［実施例４］
実施例４の発光素子は、ｎ型コンタクト層を約５．０μｍ成長させた後、ＡｌＮを約１．５ｎｍ成長させ、その上に再びｎ型コンタクト層を約１．０μｍ成長させ、エッチング除去によりｎ側電極とｎ側ＡｌＮ層との間の距離を約０．１μｍに設定する以外は、実施例１と同様の手順で作製した。

［実施例５］
実施例５の発光素子は、ｎ型コンタクト層を約５．０μｍ成長させた後、ＡｌＮを２．０ｎｍ成長させ、その上に再びｎ型コンタクト層を約２．０μｍ成長させ、エッチング除去によりｎ側電極とｎ側ＡｌＮ層との間の距離を約１．０μｍに設定する以外は、実施例１と同様の手順で作製した。

［実施例６］
実施例６の発光素子は、ＡｌＮを約３．０ｎｍ成長させる以外は、実施例５と同様の手順で作製した。

［実施例７］
実施例７の発光素子は、ＡｌＮを約４．０ｎｍ成長させる以外は、実施例５と同様の手順で作製した。

［実施例８］
実施例８の発光素子は、ｎ側ＡｌＮ層の厚さを１．５ｎｍとし、ｐ側クラッド層とｐ型コンタクト層との間に厚さ１．０ｎｍのｐ側ＡｌＮ層を挿入した以外は、実施例５と同様の手順で作製した。

［比較例１］
下部ｎ型コンタクト層と上部ｎ型コンタクト層との間にｎ側ＡｌＮ層が設けられていない比較例１の発光素子は、第２バッファ層の上に、温度９００〜１３００℃にて原料ガスにＴＭＧおよびアンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮを７．０μｍの厚さに成長させてｎ型コンタクト層を形成し、その上にアンドープ半導体層を形成する以外は実施例１と同様の方法で作製した。

［比較例２］
比較例２の発光素子は、ｎ側ＡｌＮ層にかえてＡｌＧａＮを約５．０ｎｍ成長させる以外は実施例５と同様の手順で作製した。

［比較例３］
比較例３の発光素子は、ｎ側ＡｌＮ層にかえてＩｎＧａＮを約１０ｎｍ成長させる以外は実施例５と同様の手順で作製した。

実施例１〜８および比較例１〜３の発光素子の構成を表１および表２に示す。

（ｎ側ＡｌＮ層の挿入位置と静電耐圧特性との関係）
実施例１〜４および比較例１の発光素子に電圧を印加して静電耐圧特性を調べた。５０Ｖおよび３００Ｖの電圧を印加したときの破壊率を図２に示す。ｎ側電極とｎ側ＡｌＮ層との距離が近いほど破壊率が低下し、実施例１〜４の発光素子は、５０Ｖにおける破壊率がゼロであった。
ｎ型コンタクト層をエッチングで露出させる従来のＬＥＤ構造では、電流が主に図１（ａ）に示すように流れる。これに対し、本実施例１〜４のようにｎ側ＡｌＮ層がｎ側電極に近づくほど、電流が図１（ｂ）に示すようにｎ側ＡｌＮ層とｎ型コンタクト層との界面に流れ込み易くなる。結果的に、本発明では電流拡散効果が強まることになる為、静電耐圧特性が向上すると考えられる。

（キャリア移動度試験）
厚さ３μｍのアンドープＧａＮの上に、厚さ０〜１０ｎｍのＡｌＮを成長させ、更にその上にアンドープＧａＮを３０ｎｍ成長させて、ＡｌＮ層の厚さの異なるサンプルを作製した。このようにして得られた各サンプルのキャリア移動度を、ホール測定装置を用いてｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によって測定した。結果を図３に示す。

図３より、ＡｌＮ層の厚さは、好ましくは１〜１０ｎｍ、より好ましくは１〜５ｎｍ、更に好ましくは１ｎｍ〜３ｎｍであることがわかる。但し、後述する破壊率や破壊電圧、Ｖ_ｆの結果等を考慮すると、ＡｌＮ層の厚さは３〜４ｎｍが最も好ましいといえる。

（ｎ側ＡｌＮ層の厚さと静電耐圧特性との関係）
実施例５および６、７、並びに比較例２および３の発光素子に電圧を印加して静電耐圧特性を調べた。３００Ｖの電圧を印加したときの破壊率の試験結果を図４に示す。図２と図４とを比較すると、ｎ側ＡｌＮ層の厚さが１．５ｎｍである実施例４の破壊率が６０％を超えているのに対して、ｎ側ＡｌＮ層の厚さが各々２ｎｍおよび３ｎｍ、４ｎｍである実施例５および６、７の発光素子の方が、破壊率が６．５％以下と高い静電耐圧特性を有することがわかる。

特に、実施例６および７の破壊率は３．３％以下と低くなっている。それに対し、ｎ側ＡｌＮ層にかえて５．０ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長させた比較例２、１０ｎｍのＩｎＧａＮ層を成長させた比較例３の破壊率は各々、７．６％、８．５％であった。このことから、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮを成長させた比較例２および３よりも、ｎ側ＡｌＮ層を成長させた実施例６および７の方が静電耐圧特性に優れていることが分かる。

実施例６および７、並びに比較例１の発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧Ｖ_ｆを測定した。結果を図５に示す。ｎ側ＡｌＮ層の厚さが４ｎｍに増加しても（実施例７）、ｎ側ＡｌＮ層が挿入されていない比較例１と同程度の順方向電圧のままであった。

ｎ側ＡｌＮ層の膜厚は、キャリア移動度試験のみを考慮すると上述のように１〜３ｎｍが好ましいといえるが、図４より、静電耐圧特性を向上させるための電流拡散層としての役割を考慮すると、３〜４ｎｍの膜厚が好ましいといえる。また、図５より、ｎ側ＡｌＮ層の膜厚を３〜４ｎｍにしても、ｎ側ＡｌＮ層が挿入されていない発光素子と比較してＶ_ｆの値は同程度のままである。

上部ｎ型コンタクト層と下部ｎ型コンタクト層との間にｎ側ＡｌＮ層が挿入され、更にｐ側クラッド層とｐ型コンタクト層との間にｐ側ＡｌＮ層が挿入されている実施例８の発光素子に関して、破壊率を測定した。結果を表３に示す。ｐ側ＡｌＮ層を挿入した実施例８の発光素子は、実施例１〜７の発光素子に比べて３００Ｖにおける破壊率が低減し、５００Ｖにおける破壊率も非常に低い値となっており、静電耐圧特性が大幅に向上した。

本発明に係る発光素子においては、比較的結晶性の脆い活性層が保護され、静電耐圧特性を向上させることができる。

１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
２ａ 下部ｎ型コンタクト層
２ｂ 上部ｎ型コンタクト層
３ 活性層
４ ｐ側窒化物半導体層
５ ｐ側電極
５ａ ｐ側透光性電極
５ｂ ｐ側パッド電極
６ ｎ側電極
７ ｎ側ＡｌＮ層

Claims (7)

1. 基板上に、ｎ側窒化物半導体層、活性層、およびｐ側窒化物半導体層が順に積層され、
   前記ｎ側窒化物半導体層上および前記ｐ側窒化物半導体層上に、それぞれｎ側電極およびｐ側電極が設けられた発光素子において、
   前記ｎ側窒化物半導体層が、前記ｎ型電極と接する上部ｎ型コンタクト層と下部ｎ型コンタクト層とで構成されるｎ型コンタクト層を有し、
   前記上部ｎ型コンタクト層と前記下部ｎ型コンタクト層との間に、前記上部ｎ型コンタクト層および前記下部ｎ型コンタクト層のいずれとも組成の異なるＡｌＮ層が設けられており、
   前記ＡｌＮ層と前記ｎ側電極との間の距離が、前記ＡｌＮ層と前記基板との間の距離よりも短いことを特徴とする、発光素子。
2. 前記ＡｌＮ層と前記ｎ側電極との間の距離が、前記下部ｎ型コンタクト層の厚さよりも短い、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記ＡｌＮ層と前記ｎ側電極との間の距離が、０．１μｍ〜３．０μｍである、請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記ＡｌＮ層の厚さが、１ｎｍ〜１０ｎｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記ＡｌＮ層の厚さが、３ｎｍ〜４ｎｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 前記上部ｎ型コンタクト層および下部ｎ型コンタクト層がＧａＮ層である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. ｐ側窒化物半導体層は、ｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層とを有し、前記ｐ型コンタクト層と組成の異なるＡｌＮ層が、前記ｐ型コンタクト層と活性層との間で前記ｐ型コンタクト層と接するように設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子。

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