JP2007150076A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 膜質を良好に維持しながらピットを確実に発生させたピット形成層を活性層の下層に設けることにより、リーク電流や非発光再結合中心を抑制して内部量子効率を向上させ、発光特性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 基板１上に、少なくとも発光部が形成される活性層５を含む窒化物半導体積層部とを有し、活性層５の基板１側に、窒化物半導体の超格子層により形成され、基板１側の窒化物半導体層で発生する貫通転位の端部にピットを発生させるピット形成層４が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体を用いた発光素子に関する。さらに詳しくは、活性層の下側で確実にピットを発生させることにより、貫通転位が活性層まで延びてリーク電流が増えないようにし、輝度を向上させることができる窒化物半導体発光素子に関する。

従来の窒化物半導体を用いた発光素子は、たとえばサファイア基板上に、バッファ層および発光層形成部を含む窒化物半導体積層部を成長し、その半導体積層部の一部をエッチングして半導体積層部の下層側の導電形層を露出させ、その露出させた下層側導電形層表面に下部電極を、半導体積層部の上面側に上部電極をそれぞれ設けることにより形成されている。一方、このような絶縁基板を用いることの煩雑やエッチングによるコンタミネーションの付着などを避けるため、基板としてＳｉＣからなる半導体基板を用い、その上に窒化物半導体を積層して発光部を形成する方法も考えられている。

基板として、サファイア基板を用いると、その上に積層する窒化物半導体層とは格子不整合が１４％程度に達し、完全な格子整合をとることができない。また、ＳｉＣ基板を用いても、格子不整合は大きく、完全な格子整合をとることはできない。そのため、基板上に成長される窒化物半導体層には非常に多くの結晶欠陥が生成され、その上に積層される窒化物半導体層にも結晶欠陥が縦方向に貫通して貫通転位と呼ばれる結晶欠陥が多数存在している。この貫通転位は、その密度が１×１０⁸／ｃｍ²以上となり、この貫通転位が活性層を貫通すると、その貫通転位を介してリークが発生し、非発光性再結合中心として働くため、発光効率（内部量子効率）が低下するという問題がある。このような問題を解決するため、活性層に貫通転位が延びないように、活性層の下側の層で、貫通転位の先端部にピットと呼ばれる凹部を形成して貫通転位をストップさせ、活性層の成長時には貫通転位に延長する部分を凹部として、後からその凹部を埋めることにより活性層に貫通転位が延びないようにする方法が考えられている（たとえば特許文献１参照）。
特開２０００−２３２２３８号公報

前述のように、ピットを形成するには、活性層を成長してからエッチングをするか、ピット発生層を８００℃以下の低温度成長することが必要となる。エピタキシャル成長中にエッチング工程を挟むことは、作業工程が煩雑になるのみならず、成長炉から空気中に取り出し、化学処理をすることになるため、成長面の汚れを引き起こし、再成長するチッ化ガリウム系化合物の結晶性を低下させるという問題を有している。また、低温で成長することによりピットを発生させる場合でも、特許文献１にも記載されているように、成長温度が低すぎると基本的な膜質が悪くなり、温度が高いと確実にピットを発生させることができないという問題を有している。

本発明は、このような問題を解決し、膜質を良好に維持しながらピットを確実に発生させてピットを形成するピット形成層を活性層の下層に設けることにより、無効電流や非発光再結合を抑制して内部量子効率を向上させ、発光特性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、さらにリーク電流を防止して、内部量子効率を向上させることができる構造の窒化半導体発光素子を提供することにある。

本発明による窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部とを有し、前記活性層の前記基板側に、窒化物半導体の超格子構造に形成され、前記基板側の窒化物半導体層で発生する貫通転位の端部にピットを発生させるピット形成層が設けられている。

ここに窒化物半導体とは、III族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII族元素と置換したもの、および／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した窒化物を意味する。また、ピットとは、たとえば図２に示されるように、貫通転位の端部に錐体形状もしくは切頭錐体形状で形成される凹部を意味する。

前記ピット形成層で形成されたピットと連続して前記活性層に形成される凹部内が、該活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体により埋め込まれることにより、空隙部が残存することなく電子および正孔の注入を抑制することができるため好ましい。

具体的には、前記活性層がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）とＡｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）との多重量子井戸構造であり、前記ピット形成層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）とＡｌ_bＩｎ_cＧａ_1-b-cＮ（０≦ｂ＜１、０≦ｃ＜１、０≦ｂ＋ｃ＜１、ｃ＜ａ＜ｘ）との１０〜５０ペアの超格子構造で形成される。

前記活性層の前記基板と反対側に、アンドープのＡｌ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ＜１）により形成された埋込み層が設けられ、該埋込み層の一部が前記活性層の凹部内に埋め込まれることにより、キャリア濃度が低く正孔の注入を抑制することができるため、リーク電流を抑制するのに好ましい。

前記ピット形成層の前記基板側および前記埋込み層の前記活性層と反対側にＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ＜１）により形成されたｎ形およびｐ形のいずれかの障壁層が設けられることにより、活性層にキャリアの閉込めを有効に行うことができる。

本発明によれば、ピット形成層を超格子構造で形成しているため、超格子を形成する半導体層の界面に貫通転位が突き当たり、ピットを発生させるために成長温度を低くするというような配慮をすることなく、確実にピットを発生させることができる。そのため、成長温度を極端に低くする必要はなく、窒化物半導体層の膜質を良好に維持することができ、さらに超格子構造で形成しているため、より一層膜質を良好に維持することができ、直列抵抗を下げることもできて、発光特性を向上させることができる。

また、貫通転位が活性層に達する前にその先端部にピットを形成しているため、貫通転位は活性層まで延びないでピット形成層で止まる。一方、貫通転位が止まった後は、その凹部が活性層にも延びるが、その凹部は埋込み層または障壁層の材料で埋め込まれ、凹部がそのまま残存する訳ではなく、信頼性に問題が生じることはない。この埋込み層や障壁層は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいため、本来の活性層よりも電子および正孔の注入はされ難く、この領域を流れる電流（非発光再結合中心）は非常に小さくなる。その結果、貫通転位が直接活性層に達してリーク電流が増大し、内部量子効率が低下するという問題を解消し、リーク電流の低減、貫通転位での非発光再結合の低減を図ることができ、内部量子効率を向上させることができる。そのため、大きな出力の窒化物半導体発光素子が得られる。

前述のピットにつながる凹部内にアンドープの埋込み層の一部が埋め込まれることにより、キャリア濃度が小さくなり、より一層無効電流を減らすことができ、内部量子効率を向上させることができる。

つぎに、本発明による窒化物半導体発光素子について、図面を参照しながら説明をする。本発明による窒化物半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図が図１に示されるように、基板１上に、少なくとも発光部が形成される活性層５を含む窒化物半導体積層部を有し、活性層５の基板１側に、窒化物半導体の超格子構造に形成され、基板１側の窒化物半導体層で発生する貫通転位の端部にピットを発生させるピット形成層４が設けられている。

すなわち、本発明は、窒化物半導体層で発生しやすい貫通転位が、発光部を形成する活性層に延びることにより起こるリーク電流を抑制するため、活性層の下側の層で貫通転位の先端部にピットを形成し、貫通転位が活性層まで延びないようにする構造を採用しながら、ピットを確実に発生させると共にそのピットを発生させる層を挿入しても、膜質を低下させることなく、内部量子効率を高くできる構造にしていることに特徴がある。

前述のように、ピットを発生させるには、活性層を成長してからエッチングをする方法と、低温で窒化物半導体層を成長する方法とが提案されている。この低温で窒化物半導体層を成長する方法では、成長温度が高いとピットの発生を確実に行うことができず、成長温度を低くすると、窒化物半導体層の膜質が低下することが一般に知られている。窒化物半導体層の膜質が低下すると、キャリアの移動がスムースに行われず、直列抵抗が増大して結局内部量子効率を低下させることになる。そこで本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、このピットを発生させるピット形成層を超格子構造で形成することにより、窒化物半導体層の成長温度を余り下げなくても、界面が多くなることから確実にピットを発生させることができ、しかも同じ温度で成長する場合でも、バルク層を成長するよりも超格子構造にする方が膜質を良くすることができると共にキャリア濃度を上げることもでき、非常に膜質がよく低抵抗のピット形成層４を設けることができることを見出した。

具体的には、ピット形成層４は、たとえば図２にピット部の拡大断面説明図および斜視説明図がそれぞれ示されるように、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１、たとえばａ＝０.０５）からなる第１層４１が０.５〜１０ｎｍ（たとえば１ｎｍ）と、Ａｌ_bＩｎ_cＧａ_1-b-cＮ（０≦ｂ＜１、０≦ｃ＜１、０≦ｂ＋ｃ＜１、ｃ＜ａ、たとえばｂ＝ｃ＝０）からなる第２層４２が０.５〜１０ｎｍ（たとえば２ｎｍ）とが１０〜５０ペア積層された超格子構造に形成されている。このピット形成層４はアンドープで形成されてもよく、図１に示される例ではｎ形（このピット形成層４が接するｎ形層３と同じ導電形）でもよく、第１層４１および第２層４２のいずれかがｎ形で、他方がアンドープでもよい。また、この積層するペア数は、余り少ないとピット発生部分と活性層５とを充分に分離しにくいこと、膜質を良好にするには多い方が好ましいこと、などの点から、前述の範囲でできるだけ多い方が好ましい。

このピット形成層４は、貫通転位を止めてピットを形成するための層である。このピットを形成するには、窒化物半導体層を、たとえば６００〜８５０℃程度で成長することにより形成されるが、ＩｎＧａＮ系化合物を成長するには、Ｉｎの分解温度が低いため元々温度を低くしなければ成長することができず、ＩｎＧａＮ系化合物を成長する際に発生しやすい。しかし、ＧａＮやＡｌＧａＮ系化合物でも低温で成長させることによりピットを発生させることができ、本発明では超格子構造を形成しているため、極端に温度を下げなくても確実にピットを発生させることができる。

ピットは、たとえば図２に誇大説明図が示されるように、貫通転位１３の部分で半導体層が成長されず、断面形状でＶ字状に形成される凹部１４で、前述のように６００〜８５０℃程度の低温度で窒化物半導体層を成長することによりピットが発生し、一旦ピットが形成されると、低温度で成長を続ける限りその凹部がＶ字状に広がって凹部のままになる。したがって、続けて活性層５を成長すると、活性層５も通常発光波長のバンドギャップエネルギーの関係からＩｎＧａＮ系化合物を用いることが多く、活性層５も同程度の低温で成長されるため、図２に示されるように、活性層５にも凹部１４が連続して形成される。この凹部１４は、高温で成長される窒化物半導体層が成長される際に埋め込まれる。したがって、活性層５の成長後のｐ形層などを成長する際に埋め込まれるが、本実施例では活性層５の成長後にアンドープのＧａＮからなる埋込み層６が９００〜１２００℃の高温で成長されるので、その際にアンドープのＧａＮが埋め込まれる。

本発明では、この凹部１４を発生させる層が超格子構造により形成されているので、超格子構造の界面でピットが発生しやすく、成長温度を極端に低くしなくても確実にピットを発生させることができる。しかも、超格子構造で積層しているため、膜質が良くなると共に、ｎ形層で形成する場合にはそのキャリア濃度を上げることができ、凹部１４内に埋め込まれる窒化物をバンドギャップエネルギーの大きい材料で、しかも後述するようにアンドープにすることにより、電子はこの凹部を完全に避けてピットのない部分のピット形成層４を通り、凹部１４のない活性層５で正孔と再結合して発光する。すなわち、凹部１４内に埋め込まれる窒化物半導体はバンドギャップが大きく発光には寄与しないので、この凹部１４内で電子と正孔の再結合はしない方が好ましく、また、電流が流れても無効電流となるため電流は流れない方がよいのであるが、本発明によれば、ピット形成層４が超格子構造でキャリア濃度を上げても、ピット（凹部１４）には電流が流れにくい構造になっているため、非常に電流を有効に利用することができる。

このピット形成層４および後述する埋込み層６以外は従来と同様の構造であるが、図１に示される例では、基板１としてＳｉＣ基板が用いられている。しかし、この例に限らず、Ｓｉ、ＧａＮ、ＺｎＯなどの半導体基板またはサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）基板などを用いることもできる。サファイア基板などの絶縁基板を用いる場合には、後述するように、下層（図１に示される例ではｎ形層３）に接続する電極を接続するために、積層された発光層形成部８の一部をエッチングしてｎ形層３の一部を露出させ、その露出面にｎ側電極１２が形成される。ＳｉＣ基板１上には、たとえばＡｌＧａＮ系化合物（Ａｌの混晶比が０の場合も含む）からなる低温バッファ層２が０.００５〜０.１μｍ程度設けられているが、バッファ層２の組成はこの例には限定されない。そして、このバッファ層２上に発光層を形成する半導体積層部９が積層され、その表面に透光性導電層１０を介してｐ側電極１１が設けられている。

半導体積層部９は、発光波長に応じたバンドギャップエネルギーを有する材料で活性層５が形成され、その上下に活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい障壁層（ｎ形層３およびｐ形層７）が設けられるダブルへテロ接合構造で構成される発光層形成部を有している。本発明では、この活性層５の基板側に、前述のピット形成層４が設けられている。また、図１に示される例では、活性層５の基板１と反対側には、アンドープのＡｌ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ＜１、たとえばｒ＝０）からなる埋込み層６が設けられ、ピット形成層４に形成されたピットおよびそのピットと連続して形成される活性層５の凹部１４内に埋込み層６の一部が埋め込まれている。

ｎ形層３およびｐ形層７は、図１に示される例では、活性層５よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ＜１、たとえばｓ＝０）層によりキャリアを活性層５に閉じ込める障壁層として機能するように設けられている。しかし、このような構成でなくても、活性層で発光するようにｎ形層とｐ形層とが設けられていればよい。ｎ形層３は１〜５μｍ程度設けられ、ｐ形層７は０.０５〜５μｍ程度設けられている。このｎ形層３とｐ形層７とは同じ組成でもよいし、異なる組成で形成されてもよく、必ずしもこれらの材料にも限定はされない。また、ｎ形層３およびｐ形層７は、それぞれ単層に限らず、たとえば活性層５と反対側にＧａＮ層を１〜３μｍ程度設けて、活性層５へのキャリア閉じ込め効果を大きくしながら、ＧａＮ層により低抵抗化を図ることもできる。また、全体をＡｌ_sＧａ_1-sＮにより形成することもできる。なお、ｎ形層３およびｐ形層７が複層で構成される場合、発光層形成部としては活性層側の層と活性層５およびその間に設けられる層で構成される。

ｎ形に形成するためには、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＨ_２Ｓｅ、ＳｉＨ₄ 、ＧｅＨ₄ 、ＴｅＨ₄ などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られ、ｐ形にするためには、ＭｇやＺｎをシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）やジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の有機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしｎ形の場合は不純物を混入しなくても、成膜時にＮが蒸発しやすく自然にｎ形になりやすいため、その性質を利用することもできる。

活性層５は、図１に示される例では、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１、ａ＜ｘ、たとえばｘ＝０.１２）からなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＡｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ、たとえばｙ＝ｚ＝０）からなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層５が全体で０.０５〜０.３μｍ程度の厚さに形成されている。この活性層５の組成や材料は、発光させる光の波長により定められる。また、その構造もＭＱＷに限らず、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）やバルク活性層でも構わない。

埋込み層６は、たとえばアンドープのＡｌ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ＜１、たとえばｒ＝０）により、０.００５〜０.１μｍ程度の厚さに形成することができる。この埋込み層６は、前述のピット形成層４から活性層５にかけて形成された凹部１４内を埋め込むもので、９００〜１２００℃程度の高温で成長することにより、凹部１４内を埋め込む込むことができる。この埋込み層６は、ｐ形層７と同じ組成でもよいし、異なる組成でもよいが、Ａｌの混晶比ｒが大きいほど埋込み効果が大きく、また、バンドギャップエネルギーが大きいため凹部１４内への電子の注入を抑制することができるという点から好ましい。この埋込み層６はアンドープであることがキャリアの移動を抑制しやすいため好ましい。しかし、バンドギャップエネルギーが大きい材料を用いることにより電子の移動を抑制することができ、あえて埋込み層６を設けなくても、ｐ形層７を成長する際にその一部が凹部１４内に埋め込まれる。

この半導体積層部９上に、たとえばＺｎＯからなる透光性導電層１０が０.１〜１０μｍ程度設けられ、その上の一部に、ＴｉとＡｕとの積層構造によりｐ側電極１１が形成される。この透光性導電層１０は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯ、またはＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でもよく、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができるものであればよい。Ｎｉ-Ａｕ層の場合、金属層であることから厚くすると透光性でなくなるため、薄く形成されるが、ＺｎＯやＩＴＯの場合は光を透過させるため、厚くても構わない。図１に示される例では、ＺｎＯ層が０.３μｍ程度の厚さに形成されている。この透光性導電層１０は、窒化物半導体層、とくにｐ形窒化物半導体層はキャリア濃度を大きくし難く、電流をチップの全面に拡散し難いこと、および電極パッドとする金属膜からなる上部電極１１とのオーミックコンタクトを取り難いこと、という問題を改良するために設けられるもので、これらの問題を解消できればなくても構わない。

上部電極１１は、図１に示される例では半導体積層部の上面側がｐ形からなる層であるため、ｐ側電極として形成されており、たとえばＴｉ／Ａｕ、Ｐｄ／ＡｕまたはＮｉ-Ａｕなどの積層構造で、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さに形成されている。また、ＳｉＣ基板１の裏面に下部電極（ｎ側電極）１２が、たとえばＴｉ-Ａｌ合金またはＴｉ／Ａｕの積層構造などで、全体として０.１〜１μｍ程度の厚さに形成される。そして、表面にｐ側電極１１およびｎ側電極１２の表面を除いて、全面に図示しないＳｉＯ₂などのパシベーション膜が設けられている。

つぎに、具体例で本発明の窒化物半導体発光素子の製法について簡単に説明する。まず、ＳｉＣ基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内にセッティングし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム（ＡｌＧａＮ系層を形成する場合）、トリメチルインジウム、アンモニアガス、ｎ形ドーパントガスとしてのＨ_２Ｓｅ、ＳｉＨ_４、ＧｅＨ_４、ＴｅＨ_４のいずれか、また、ｐ形ドーパントガスとしてＤＭＺｎもしくはしくＣｐ₂ Ｍｇのうちの必要なガスをキャリアガスのＨ₂ガスまたはＮ₂ガスと共に導入し、たとえば７００〜１２００℃程度温度で、ｎ形のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバッファ層２、ＧａＮからなるｎ形層３をそれぞれ積層する。そして、基板温度を、たとえば７６０℃程度に下げ、たとえばＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる第１層４１を１ｎｍと、たとえばＧａＮからなる第２層４２を２ｎｍで２０ペア程度積層することにより、超格子構造のピット形成層４を形成する。この際、貫通転位１３の端部に凹部１４が形成される。

ついで、たとえば３ｎｍ程度のＩｎ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるウェル層と１８ｎｍ程度のＧａＮからなるバリア層とを５ペア積層して多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層５を全体で０.１μｍ程度形成する。この際、ピット形成層４に形成された凹部１４はそのまま連続して広がった凹部として活性層５にも形成される。その後、基板温度をたとえば、１０６５℃程度に上げ、たとえばＧａＮからなる埋込み層６を、アンドープで０.０２μｍ程度成膜する。その後引き続いて、たとえばＧａＮからなり０.５〜２μｍ程度厚のｐ形層７をそれぞれ順次エピタキシャル成長して、発光層形成部８を形成する。

その後ＳｉＯ₂ 保護膜を半導体積層部の表面全面に設け、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニールを行って、ｐ形層７の活性化を行う。アニールが完了すると、ウェハをスパッタリング装置または真空蒸着装置に入れてｐ形層７の表面に、ＺｎＯからなる透光性導電層１０を０.３μｍ程度形成し、さらにＴｉ、Ａｌなど成膜してｐ側電極１１を形成する。その後、ＳｉＣ基板１の裏面側をラッピングすることにより、ＳｉＣ基板１を薄くして、基板１の裏面に、Ｔｉ、Ａｕなどの金属膜を同様に成膜することにより、下部電極１２を形成する。最後に、スクライブしチップ化することにより、窒化物半導体発光素子のチップが得られる。

本発明によれば、貫通転位が活性層に至る前に超格子構造で形成されたピット形成層が設けられているため、成長温度を極端に下げなくても、ピット形成層の超格子構造のいずれかの界面で確実にピットを発生させることができる。そのため、貫通転位を活性層まで延ばすことなく確実に活性層より下側で止まり、活性層には凹部内にバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体が埋め込まれるため、リーク電流を大幅に減少することができる。また、ピットを発生させるピット形成層を超格子構造で形成しているため、半導体層の膜質がよく、さらにキャリア濃度を上げることもでき、直列抵抗を下げることができ、より一層電流を有効に利用することができる。その結果、凹部が形成されない活性層の部分で正孔と電子との再結合が行われ、無駄な電流が少なく内部量子効率を大幅に向上させることができる。

前述の例では基板として導電性のＳｉＣ基板を用いたが、サファイア基板を用いる場合でも、同様に超格子構造のピット形成層を活性層の下側に設けることにより、確実にピットを形成しながら、膜質のよい窒化物半導体層からなるピット形成層を活性層の下側に設けることができる。半導体積層部の構造は前述の積層構造と同じでもよいが、基板がサファイアの場合、基板裏面から電極を取り出すことができないため、バッファ層や基板側の窒化物半導体層をアンドープで形成して結晶性の向上を図ることもできる。その例が図３に示されている。

図３において、サファイア基板２１上に積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなるＡｌＧａＮ系（Ａｌの混晶比が０でも１でも可）からなる低温バッファ層２が０.００５〜０.１μｍ程度、ついでアンドープのＧａＮからなる高温バッファ層３ａが１〜３μｍ程度、その上に障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）となるＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ形層３が１〜５μｍ程度、前述と同様の構成の超格子構造のピット形成層４、多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層５がそれぞれ積層され、図３に示される例では、その表面に、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるアンドープの埋込み層６、ｐ形のｐ形障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）７とｐ形ＧａＮからなるコンタクト層７ａとによるｐ形層とが合せて０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより構成されている。この構造では、バッファ層２からコンタクト層７ａが半導体積層部となる。

なお、アンドープの高温バッファ層３ａは、積層されるチッ化ガリウム系化合物半導体層の結晶性を良くするため、高温で成長する最初の層をアンドープにしているものである。また、ｐ形層７とコンタクト層７ａは、前述のように、キャリアの閉じ込め効果の点から活性層５側にＡｌを含む層が設けられることが好ましい例と示されている。また、基板が絶縁体であるため、バッファ層２も導電性にする必要はなく、ＡｌＮでも構わない。

この半導体積層部上に、前述の例と同様に透光性導電層１０およびｐ側電極１１が形成され、積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層３にｎ側電極１２が、たとえばＡｌとＭｏとＡｕとの積層構造により形成されている。Ａｌ層は５〜２０ｎｍで、たとえば１０ｎｍ、Ｍｏ層は３０〜１００ｎｍで、たとえば５０ｎｍ、Ａｕ層は、０.２〜１μｍ程度、たとえば０.２５μｍ程度積層され、６００℃で５秒程度の急速加熱（ＲＴＡ）の熱処理が行われるが、Ａｌ層の一部がチッ化ガリウム系化合物に拡散するものの、各金属層同士はＭｏ層がバリア層となって合金化することなく、ｎ側電極１２の表面には合金化しないＡｕ層が確保され、ワイヤボンディングのボンディング特性を向上させることができる。そして、表面にｐ側電極１１およびｎ側電極１２の表面を除いて、全面に図示しないＳｉＯ₂などのパシベーション膜を設けられている。

前述の例では、ＳｉＣ基板をｎ形にしてｐ形層を表面側に形成しているが、この構造にすればｐ形層を活性化のためアニールするのに都合がよいためである。しかし、基板および活性層より基板側をｐ形にすることもできる。また、窒化物半導体は、前述の例に限らず、Ａｌ_pＧａ_qＩｎ_1-p-qＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）の一般式で表される窒化物材料により、構成することができる。また、このＮの一部を他のＶ族元素で置換する化合物にすることもできる。

また、発光層形成部を、活性層をｎ形層とｐ形層とで挟持するサンドイッチ構造のダブルヘテロ構造にしたが、さらにガイド層など他の半導体層がいずれかの層間に挿入されたり、シングルへテロ接合構造やホモｐｎ接合でも同様に構成することができる。この場合、活性層は発光部を意味する。

さらに、前述の例はＬＥＤの例であったが、半導体レーザでも同様に活性層の下側に超格子構造のピット形成層を設けることにより、内部量子効率を向上させることができる。

本発明による窒化物半導体発光素子の断面説明図である。 図１に示される構造でピット部分の拡大説明図である。 本発明による窒化物半導体発光素子の他の構成例の断面説明図である。

符号の説明

１ ＳｉＣ基板
２ バッファ層
３ ｎ形層
４ ピット形成層
５ 活性層
６ 埋込み層
７ ｐ形層
８ 発光層形成部
９ 透明性導電層
１１ ｐ側電極
１２ ｎ側電極

Claims (5)

1. 基板と、該基板上に設けられ、少なくとも発光部が形成される活性層を含む窒化物半導体積層部とを有し、前記活性層の前記基板側に、窒化物半導体の超格子構造に形成され、前記基板側の窒化物半導体層で発生する貫通転位の端部にピットを発生させるピット形成層が設けられてなる窒化物半導体発光素子。
2. 前記ピット形成層で形成されたピットと連続して前記活性層に形成される凹部内が、該活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体により埋め込まれてなる請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記活性層がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）とＡｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｙ＋ｚ＜１、ｚ＜ｘ）との多重量子井戸構造であり、前記ピット形成層が、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）とＡｌ_bＩｎ_cＧａ_1-b-cＮ（０≦ｂ＜１、０≦ｃ＜１、０≦ｂ＋ｃ＜１、ｃ＜ａ＜ｘ）との１０〜５０ペアの超格子構造である請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記活性層の前記基板と反対側に、アンドープのＡｌ_rＧａ_1-rＮ（０≦ｒ＜１）により形成された埋込み層が設けられ、該埋込み層の一部が前記活性層の凹部内に埋め込まれてなる請求項２または３記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ピット形成層の前記基板側および前記埋込み層の前記活性層と反対側にＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ＜１）により形成されたｎ形およびｐ形のいずれかの障壁層が設けられてなる請求項４記載の窒化物半導体発光素子。

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