JP5420515B2

JP5420515B2 - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP5420515B2
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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、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、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と、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はｐ型ＩｎＧａＮであり、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はｎ型ＧａＮであって、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面はｐ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該ｎ型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層とｎ型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、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の界面と、の最短距離が４０ｎｍ未満であり、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが４ｎｍ以上６ｎｍ以下であり、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層中のｎ型ドーパントの濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³未満である窒化物半導体発光素子である。

また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、ＧｅおよびＯからなる群から選択された少なくとも１種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は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層中のｐ型ドーパントの濃度が２×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。

また、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、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、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と、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はｐ型ＩｎＧａＮであり、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はｎ型ＧａＮであって、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面はｐ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該ｎ型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該ｐ型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、ｐ型窒化物半導体層と接しており、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層とｎ型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、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の界面との最短距離、および、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層とｐ型窒化物半導体層との界面と、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の界面との最短距離、の少なくとも一方の最短距離が４０ｎｍ未満であり、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが４ｎｍ以上６ｎｍ以下であり、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層中のｎ型ドーパントの濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³未満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型ドーパントの濃度」は窒化物半導体中に含まれるｐ型ドーパントの原子濃度を示し、「ｎ型ドーパントの濃度」は窒化物半導体中に含まれるｎ型ドーパント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。

また、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。

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。

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。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他の一例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のｐ型トンネル接合層の厚さ（ｎｍ）と駆動電圧（Ｖ）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ｐ型トンネル接合層の厚さ（ｎｍ）と駆動電圧（Ｖ）との関係を示す図である。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他の一例の模式的な断面図である。

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、ｐ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５と、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６と、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層１０と、第２のｎ型窒化物半導体層７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８が形成され、第２のｎ型窒化物半導体層７上にｐ側電極９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５とｎ型窒化物半導体トンネル接合層６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、トンネル接合部にかかる電界εを大きくすることが考えられる。

ここで、トンネル接合部にかかる電界εを大きくする方法としては、トンネル接合を形成するｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の双方の実効的なイオン化不純物濃度を高くすることが好ましい。実効的なイオン化不純物濃度を高くする方法として、バンドギャップの異なる層を積層した界面に生じる２次元電子ガスを利用する方法が挙げられる。

すなわち、２次元電子ガスの生成箇所をｐ型窒化物半導体トンネル接合層５とｎ型窒化物半導体トンネル接合層６との界面近傍に位置させることによって、トンネル接合を形成するｐ型窒化物半導体トンネル接合層５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の実効的なイオン化不純物濃度を高くすることができるため、トンネル接合部にかかる電界εを大きくすることができる。そして、トンネル接合部にかかる電界εを大きくすることにより、より狭い空乏層を形成することができるため、トンネリング確率が向上することになる。

そこで、本発明者が鋭意検討した結果、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の両方若しくはいずれか一方がＩｎを含んでおり、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の少なくとも一方であるＩｎを含む層の少なくとも１つがそれよりもバンドギャップの大きい層と接しており、Ｉｎを含む層とバンドギャップの大きい層との界面と、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５とｎ型窒化物半導体トンネル接合層６との界面と、の最短距離の少なくとも１つを４０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下とすることにより、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５のイオン化不純物濃度が低い場合であっても、トンネル接合を含む窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減できることを見いだし、本発明を完成するに至った。

ここで、駆動電圧を低減するとともに発光層３からの光の吸収量を低減する観点からは、上記の最短距離は短いほど好ましいが、あまりにも短くなり過ぎた場合には、Ｉｎを含む層のＩｎ含有率（Ｉｎを含む層中のＡｌ、ＧａおよびＩｎの総原子数に対するＩｎの原子数の比）が小さくなったときに、Ｉｎを含む層においてバンドギャップの大きい層側のキャリア濃度の低い部分まで空乏層が達し、トンネル確率が小さくなるおそれがある。

したがって、上記の観点から、上記の最短距離は２ｎｍよりも大きいことが好ましい。この場合には、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５とｎ型窒化物半導体トンネル接合層６とのトンネル接合部のトンネル確率が小さくなるのを低減することができる。

また、上記の観点から、Ｉｎを含む層のＩｎ含有率（Ｉｎを含む層中のＡｌ、ＧａおよびＩｎの総原子数に対するＩｎの原子数の比）は０．１よりも大きいことが好ましく、上限は１であってもよい。

なお、上記において、基板１としては、たとえば、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、上記において、第１のｎ型窒化物半導体層２としては、たとえばｎ型ドーパント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、上記において、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、上記において、ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえばｐ型ドーパント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Ａｌを含むｐ型クラッド層上にｐ型ＧａＮ層を成長させたものを用いることができる。

また、上記において、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５としては、たとえば、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_1-(x1+y1)Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦１−（ｘ１＋ｙ１）≦１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型ドーパントがドーピングされた材料を用いることができる。なお、上記の組成式において、ｘ１はＡｌの組成比を示し、ｙ１はＩｎの組成比を示し、１−（ｘ１＋ｙ１）はＧａの組成比を示す。

また、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５中のｐ型ドーパントの濃度が２×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることが好ましい。この場合には、本発明の窒化物半導体発光素子の駆動電圧が低減する傾向が大きくなる。

また、上記において、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６としては、たとえば、Ａｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_1-(x2+y2)Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦１−（ｘ２＋ｙ２）≦１）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型ドーパントがドーピングされた材料を用いることができる。なお、上記の組成式において、ｘ２はＡｌの組成比を示し、ｙ２はＩｎの組成比を示し、１−（ｘ２＋ｙ２）はＧａの組成比を示す。なお、上記の組成式において、ｘ２はＡｌの組成比を示し、ｙ２はＩｎの組成比を示し、１−（ｘ２＋ｙ２）はＧａの組成比を示す。

また、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６がＩｎを含む層である場合には、ｎ型窒化物半導体トンネル接合層６中のｎ型ドーパントの濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³未満であることが好ましい。この場合には、本発明の窒化物半導体発光素子の駆動電圧が低減する傾向が大きくなる。

ここで、（ｉ）ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５がＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる場合にはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６がＧａＮ（窒化ガリウム）からなることが好ましく、（ｉｉ）ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６がともにＩｎＧａＮからなることが好ましく、（ｉｉｉ）ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５がＧａＮからなる場合にｎ型窒化物半導体トンネル接合層６がＩｎＧａＮからなることが好ましい。また、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６が互いにＩｎ含有率の異なるＩｎＧａＮからなっていてもよい。また、上記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）のそれぞれの場合には、ＧａＮがＡｌＧａＮであってもよい。

なお、本発明においては、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５およびｎ型窒化物半導体トンネル接合層６の少なくとも一方がＩｎを含む層である必要がある。

また、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層１０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５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６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１０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型ドーパント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、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層１０は、ｐ型窒化物半導体トンネル接合層５および／またはｎ型窒化物半導体トンネル接合層６と同程度の温度で成長させられることが好ましい。

また、第２のｎ型窒化物半導体層７を形成することにより、第２のｎ型窒化物半導体層７上に形成されたｐ側電極９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７としては、たとえば、ｎ型ドーパント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以上であることが好ましい。また、高い光取り出し効率を確保するためには、第２のｎ型窒化物半導体層７のバンドギャップは、発光層３のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。

第１のｎ型窒化物半導体層２上に形成されるｎ側電極８および第２のｎ型窒化物半導体層７上に形成されるｐ側電極９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８は、上記の第２のｎ型窒化物半導体層７の成長後のウエハを第２のｎ型窒化物半導体層７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７の成長後のウエハの第２のｎ型窒化物半導体層７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７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７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７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。

なお、本発明において、ｎ型ドーパントとしては、たとえばＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）およびＯ（酸素）からなる群から選択された少なくとも１種をドーピングすることが好ましい。

また、本発明において、ｐ型ドーパントとしては、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。

（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。

まず、サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）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窒素、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。

その後、サファイア基板１０１の温度を７５０℃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ｐ型トンネル接合層１０８（ｐ型ドーパントの濃度：１×１０²⁰／ｃｍ³）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。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のバンドギャップは、ｐ型トンネル接合層１０８のバンドギャップよりも大きくなる。

その後、サファイア基板１０１の温度を７５０℃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１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｎ型トンネル接合層１０９（ｎ型ドーパントの濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０８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１１１をＭＯＣＶＤ法によりｎ型トンネル接合層１０９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１１１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１１１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１１１の表面上にパッド電極１１２を形成し、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面上にパッド電極１１３を形成した。ここで、パッド電極１１２およびパッド電極１１３は、ｎ型ＧａＮ層１１１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のｐ型トンネル接合層１０８の厚さ（ｎｍ）と駆動電圧（Ｖ）との関係を示す。ここで、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型トンネル接合層１０８がＩｎを含む層に相当する。また、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ｐ型トンネル接合層１０８の厚さが、ｐ型トンネル接合層１０８とそれよりもバンドギャップの大きい層（ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７）との界面と、ｐ型トンネル接合層１０８とｎ型トンネル接合層１０９との界面との、最短距離に相当する。なお、駆動電圧は、注入電流が２０ｍＡのときのものである。

図３から明らかなように、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離（ｐ型トンネル接合層１０８の厚さ）が４０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ以下、特に１５ｎｍ以下である場合に、駆動電圧が大幅に低減することが確認された。また、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上記の最短距離（ｐ型トンネル接合層１０８の厚さ）が小さくなるほど、駆動電圧も小さくなる傾向にあることが確認された。

（実施例２）
実施例２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。

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、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の成長後、サファイア基板１０１の温度を７５０℃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_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０８（ｐ型ドーパントの濃度：１×１０²⁰／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に１０ｎｍの厚さに成長させた。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のバンドギャップは、ｐ型トンネル接合層１０８のバンドギャップよりも大きくなる。また、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ｐ型トンネル接合層１０８の厚さが、ｐ型トンネル接合層１０８とそれよりもバンドギャップの大きい層（ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７）との界面と、ｐ型トンネル接合層１０８とｎ型トンネル接合層１０９との界面との、最短距離に相当する。

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。

実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の注入電流が２０ｍＡの場合における駆
動電圧は、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層１０８の厚さが１０ｎｍのときよりも高くなることが確認された。

（実施例３）
実施例３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。

そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の成長後、サファイア基板１０１の温度を６５０℃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_0.5Ｇａ_0.5Ｎからなるｐ型トンネル接合層１０８（ｐ型ドーパントの濃度：１×１０²⁰／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に２〜１０ｎｍの範囲内の任意の厚さに成長させた。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のバンドギャップは、ｐ型トンネル接合層１０８のバンドギャップよりも大きくなる。

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３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３の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層１０８の厚さ（ｎｍ）と駆動電圧（Ｖ）との関係を示す。ここで、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、ｐ型トンネル接合層１０８がＩｎを含む層に相当する。また、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子においても、ｐ型トンネル接合層１０８の厚さが、ｐ型トンネル接合層１０８とそれよりもバンドギャップの大きい層（ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７）との界面と、ｐ型トンネル接合層１０８とｎ型トンネル接合層１０９との界面との、最短距離に相当する。なお、駆動電圧は、注入電流が２０ｍＡのときのものである。

図４から明らかなように、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、上記の最短距離（ｐ型トンネル接合層１０８の厚さ）が１０ｎｍ以下、好ましくは４ｎｍ以上６ｎｍ以下である場合に、駆動電圧が大幅に低減することが確認された。また、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、上記の最短距離（ｐ型トンネル接合層１０８の厚さ）が６ｎｍの場合に駆動電圧は最小となった。

また、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、上記の最短距離（ｐ型トンネル接合層１０８の厚さ）が２ｎｍのときの駆動電圧は６ｎｍのときと比べて高くなったが、上記の最短距離（ｐ型トンネル接合層１０８の厚さ）が４０ｎｍ以上のときの駆動電圧と比べると小さかった。

（実施例４）
実施例４においては、図５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。

そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の成長後、サファイア基板１０１の温度を７５０℃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ｐ型トンネル接合層１０８（ｐ型ドーパントの濃度：１×１０²⁰／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に５ｎｍの厚さに成長させた。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のバンドギャップは、ｐ型トンネル接合層１０８のバンドギャップよりも大きくなる。

その後、サファイア基板１０１の温度を７５０℃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、ＴＭＩ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Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｎ型トンネル接合層１０９（ｎ型ドーパントの濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型トンネル接合層１０８上に１５ｎｍの厚さに成長させた。

次に、サファイア基板１０１の温度を７５０℃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１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１０をＭＯＣＶＤ法によりｎ型トンネル接合層１０９上に１５ｎｍの厚さに成長させた。ここで、ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１０のバンドギャップは、ｎ型トンネル接合層１０９のバンドギャップよりも大きくなる。

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１１１をＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮ蒸発抑制層１１０上に０．２μｍ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４の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層１０８の厚さが１０ｎｍのときの駆動電圧と同程度であることが確認された。

さらに、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子のｎ型トンネル接合層１０９のＳｉを５×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングして作製（ｎ型ドーパントの濃度：５×１０¹⁹／ｃｍ³）した窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、ｎ型トンネル接合層１０９のＳｉを１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングして作製（ｎ型ドーパントの濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）した実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧よりも高くなることが確認された。

なお、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ｐ型トンネル接合層１０８の厚さおよびｎ型トンネル接合層１０９の厚さがそれぞれ上記の最短距離に相当する。

（実施例５）
実施例５においては、図５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。

サファイア基板１０１の温度を７５０℃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、ＴＭＩ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Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるｎ型トンネル接合層１０９（ｎ型ドーパントの濃度：１×１０¹⁹／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に１０ｎｍの厚さに成長させた。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７のｎ型トンネル接合層１０９側の一部がｐ型トンネル接合層１０８として機能する。

そして、実施例１と同一の条件および同一の方法で、実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。

実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型トンネル接合層１０８の厚さが１０ｎｍのときの駆動電圧と同程度であることが確認された。

また、実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子のｎ型ＧａＮ層１１１をアンドープとして作製した窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、ｎ型ＧａＮ層１１１のＳｉを１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングして作製した実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧と同程度であることが確認された。

さらに、実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子のｎ型トンネル接合層１０９についてＳｉを５×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングして作製（ｎ型ドーパントの濃度：５×１０¹⁹／ｃｍ³）した窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧は、ｎ型トンネル接合層１０９のＳｉを１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度でドーピングして作製した実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧よりも高くなることが確認された。

なお、実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ｎ型トンネル接合層１０９の厚さが上記の最短距離に相当する。

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。

１基板、２第１のｎ型窒化物半導体層、３発光層、４ｐ型窒化物半導体層、５ｐ型窒化物半導体トンネル接合層、６ｎ型窒化物半導体トンネル接合層、７第２のｎ型窒化物半導体層、８ｐ側電極、９ｎ側電極、１０ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層、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型トンネル接合層、１０９ｎ型トンネル接合層、１１０ｎ型ＧａＮ蒸発抑制層、１１１ｎ型ＧａＮ層、１１２，１１３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、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、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と、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はｐ型ＩｎＧａＮであり、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はｎ型ＧａＮであって、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面は前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該ｎ型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、前記ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と前記ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、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の界面と、の最短距離が４０ｎｍ未満であり、
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが４ｎｍ以上６ｎｍ以下であり、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層中のｎ型ドーパントの濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³未満であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
前記ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、ＧｅおよびＯからなる群から選択された少なくとも１種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ｐ型窒化物半導体トンネル接合層中のｐ型ドーパントの濃度が２×１０¹⁹／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。
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、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、ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と、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はｐ型ＩｎＧａＮであり、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層はｎ型ＧａＮであって、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面は前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の一方の面と接し、前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該ｎ型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、前記ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層と接しており、
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の他方の面は該ｐ型窒化物半導体トンネル接合層よりもバンドギャップの大きい、前記ｐ型窒化物半導体層と接しており、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層と前記ｎ型窒化物半導体蒸発抑制層との界面と、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の界面と、の最短距離が４０ｎｍ未満であり、
前記ｐ型窒化物半導体トンネル接合層の厚さが４ｎｍ以上６ｎｍ以下であり、
前記ｎ型窒化物半導体トンネル接合層中のｎ型ドーパントの濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³未満であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
前記ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、ＧｅおよびＯからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項４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中のｐ型ドーパントの濃度が２×１０¹⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする、請求項４または５に記載の窒化物半導体発光素子。