JP2017069299A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】III 族窒化物半導体発光素子において、発光効率を向上させること
【解決手段】各層がIII 族窒化物半導体から成り、基底層２００、ｎ型超格子層１０３、発光層１０４、ｐ型クラッド層１０６を有するIII 族窒化物半導体発光素子である。基底層２００の中には厚さ５Å以上、３０Å以下のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）の単層から成る電子注入調整層２０３が設けられている。ｎ型超格子層１０３は、Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ｎ（０＜ｙ＜１）層１３１、ｉ−ＧａＮ層１３２、ｎ−ＧａＮ層１３３の周期構造から成る超格子層である。電子注入調整層２０３は、厚さが５Å以上、３０Å以下である。Ａｌ組成比は０．１５以上、０．５以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。

従来からIII 族窒化物半導体を利用した高輝度青色ＬＥＤ等の発光素子が実用化されている。その発光素子の基本構造には、ｎ型クラッド層と、ＭＱＷ構造の発光層と、ｐ型クラッド層と、発光層に対してダブルヘテロ構造がとられている。そして、ｐ型クラッド層から発光層に注入される正孔は、その拡散長が短くＭＱＷ構造の発光層に有効に閉じ込められるためｎ型クラッド層からオーバーフローすることは少ない。このため、ｎ型クラッド層の機能としては、価電子帯に正孔に対する電位障壁を形成する必要がなくなってきている。

そこで、本発明者らは、特許文献１に従来の正孔の閉じ込めを主たる目的としたｎ型クラッド層に代えて、発光層の直下にＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重周期構造から成る歪緩和層を設けて、発光層の結晶性を良くすることを考えた。
また、一般的な構造として、特許文献２、３には、ｎ型層側の層構造として、ＡｌＧａＮクラッド層、ＧａＮガイド層、発光層（活性層）の積層構造を有した発光素子が知られている。
また、特許文献４は、活性層の直下にＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの周期構造を配置して、活性層への電子注入効率を向上させている。その文献４によると、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ界面に２次元電子ガスが蓄積され、この移動度の高い電子が平面状に一様に分布することで、活性層への電子注入効率が向上できるとされている。また、Ａｌ組成比を活性層に近づく程に減少させることで、歪みを緩和させている。

特開２０１３−１４９９３８ 特開２０１１−１５１０７４ ＷＯ２００５／０３４３０１ 特開２０１２−２２２３６２

特許文献１のように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの歪緩和層を発光層の直下に設けた場合には、発光層の結晶性は良くなり、電子にとって障壁が低いため電子の注入効率は高くなる。しかし、電子の拡散長が長いために、電子密度は、発光層とｐ型クラッド層との界面で最も高く、この界面付近に電子密度の高い領域が形成され、電子は発光層の厚さ方向に一様に分布しない。一方、ｐ型クラッド層から発光層に注入される正孔の拡散長は短いので、正孔密度は、発光層とｐ型クラッド層との界面付近で高くなり、ｎ型クラッド層に向かうに連れて低くなる。このため、発光に寄与する電子正孔対の密度は、発光層とｐ型クラッド層の界面付近に局在することになる。この結果、発光に寄与しない電子が多く存在することになり、発光効率は逆に低下する。

また、特許文献２、３においては、ｎ層側にＡｌＧａＮクラッド層を設けているが、これは発光層を拡散した正孔をブロックするための障壁層として機能し、発光層に注入される電子密度に関しては検討されていない。
また、特許文献４においては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの超格子ｎ型クラッド層を用いて、ヘテロ界面に蓄積される２次元電子ガスを活性層に注入して電子の注入効率を向上させることが図られている。しかし、電子の注入効率を向上させた結果として、発光層内の電子分布の厚さ方向の不均一さを生じ、その不均一性に基づく発光効率の低下については全く考察されていない。
そこで、本発明の目的は、駆動電圧の向上を抑制して、III 族窒化物半導体発光素子の発光出力、発光効率を向上させることである。

上記の課題を解決するための発明の構成は、基板と、ｎ電極と、各層がIII 族窒化物半導体から成り、基板上に形成された単結晶の基底層、基底層に接合したｎ型層側超格子層、ｎ型層側超格子層に接合した発光層、ｐ型層側クラッド層、及び、ｐ型層側コンタクト層をこの順で有した積層構造と、ｐ電極とを有したIII 族窒化物半導体発光素子において、ｎ型層側超格子層は、全周期に渡り組成比が一定のＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層とＧａＮ層とが繰り返された積層構造であり、基底層は、ｎ電極から注入される電子がｐ電極に向けて流れる経路中に形成され、基底層の中の層として、又は、ｎ型超格子層との接合面の層として形成された電子注入調整層であって、基底層を構成する他のいずれの層の伝導帯の底の電子レベルよりも、伝導帯の底の電子レベルが高い、厚さ５Å以上、３０Å以下のＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の単層から成る電子注入調整層を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

本発明において、基板には、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、６Ｈ−ＳｉＣ、、酸化亜鉛、リン化ガリウム、砒化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ₂ ）、硫化モリブデン（ＭｏＳ）等のIII 族窒化物半導体とは異なる異種材料の基板を用いることができる。
電子注入調整層は、一般的には、Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）であが、特に、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）が望ましい。
基底層のうち、電子注入調整層が形成される領域は、ＧａＮであることが望ましい。また、基底層の全体をＧａＮとしても良い。基板とｎ型層側超格子層との間に存在する全ての単結晶の層を基底層としている。基底層は、例えば、異種基板上の成長にバッファ層が必要な場合には、このバッファ層（再結晶化されたバッファ層を含む）を除き、バッファ層上にエピタキシャル成長させた単結晶半導体層をいう。基底層は、例えば、ｎ−ＧａＮコンタクト層、ＳｉドープのＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、Ｓｉ濃度の異なるＧａＮ層の複数の層を積層させた層であっても良い。本願発明は、この基底層の中又は基底層の最上層として、厚さ５Å以上、３０Å以下のＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の単層から成る電子注入調整層が設けられている。
ｎ型層側超格子層は、全周期に渡り組成比が一定のＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層とＧａＮ層とが繰り返された積層構造である。この層は、発光層に歪みが印加されることを抑制する層であり、基板にIII 族窒化物半導体とは異なる異種基板を用いた場合に、発光層に大きな歪みが印加されるので、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子層を設けるのが望ましい。

電子注入調整層のＡｌの組成比ｘは、０．１５以上、０．５以下、Ｇａの組成比ｙは、０．５以上、０．８５以下、とすることが望ましい。
また、電子注入制御層の発光層の側の面上にはＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層又はｎ型ＧａＮ層が接合していることが望ましい。Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層を用いた場合には、電子注入制御層に比べて格子定数の大きなＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層には厚さ方向に引っ張り歪み印加され、格子定数の小さな電子注入制御層には厚さ方向に圧縮歪みが印加される。この結果、Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層には＋ｃ軸方向に大きなピエゾ分極が発生し、電子注入制御層には−ｃ軸方向に小さな分極（自発分極＋ピエゾ分極）が発生する。III 族窒化物半導体は＋ｃ軸方向にエピタキシャル成長するので、Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層と電子注入制御層との界面には負電荷が蓄積され、その界面には負電位がバイアスされることになる。その結果、Ｉｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層による大きなピエゾ分極による電子レベルの上昇分だけ電子注入制御層の障壁は高くなる。この結果、電子注入制御層は、発光層に対する電子の注入をより抑制する方向に作用する。
また、基底層のうち、電子注入調整層が形成される領域は、ＧａＮであることが望ましい。そのＧａＮは、９５０℃以下、８００℃以上の温度で形成されていることが望ましい。
また、電子注入調整層が形成される基底層の領域のうち、電子注入調整層に接して基板の側に位置する下領域は、貫通転位を基点としたＶピットを有することが望ましい。また、その下領域の電子注入調整層に接触する面上でのＶピットの直径は２０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることが望ましい。
また、電子注入調整層の伝導帯の底の電子レベルは、動作時おいて、ｐ型層側クラッド層の伝導帯の底のうち電子レベルが最も高い電子レベルよりも高くなることが望ましい。 また、電子注入調整層のＡｌ組成比ｘと厚さは、光出力が最大となる値に調整されていることが望ましい。

また、本発明の半導体発光素子は、上記以外の層が存在してもかまわない。また、発光層は多重量子構造であり、層数は任意である。層の繰返構造の１単位は、少なくとも井戸層と障壁層とを有すれば良く、他の層が存在していても良い。この１単位の繰返数は、３以上の整数である。

ｐ型層側クラッド層は、Ａｌ_w1Ｇａ_1-w1Ｎ（０＜ｗ１＜１）層を含む超格子層から成ることが望ましい。また、ｐ型層側クラッド層は、Ｉｎ_w2Ｇａ_1-w2Ｎ層とＡｌ_w1Ｇａ_1-w1Ｎ（０＜ｗ１＜１）層の周期構造から成る超格子層としても良い。この構成により、電子を発光層に効果的に閉じ込め、正孔を発光層に効果的に注入することができる。この結果、発光効率が向上する。上記の発明おいて、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_x1Ｇａ_y1Ｉｎ_z1Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、０≦ｘ１、ｙ１、ｚ１≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。通常は、Ｇａを必須とするＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。

発光層は、多重量子構造を用いることができる。多重量子構造としては、任意組成比のＡｌＧａＮ／ＧａＮの多重量子構造、任意組成比のＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの多重量子構造、任意組成比のＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮの多重量子構造を用いることができる。本半導体発光素子は、基底層として、静電耐圧改善層（ＥＳＤ層）を有していても良い。

本発明では、基底層中に又はその最上層としてＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の単層から成る電子注入調整層が設けられている。この電子注入調整層は、基底層とｎ型超格子層、すなわち、発光層に至るｎ型層において、伝導帯の底の電子レベルが最も高い。したがって、電子注入調整層は活性層に注入される電子に対して電位障壁を与える。この結果として、活性層へ注入される電子のエネルギー準位が高く、また、電子注入層をトンネルした電子の拡散長は短くなる。これにより、発光層内の厚さ方向の電子密度が均一化される。これにより電子正孔対密度も、発光層の厚さ方向において一様化されるで、発光に寄与する電子が増加し、発光効率が向上する。発光層に至るｎ層において、電子に対して電位障壁を与えるのは電子注入調整層だけであるので、その層のＡｌ組成比を調整するだけで、容易に発光効率を最大化することができる。

実施例１の発光素子１の構成を示した図。 発光素子１の製造工程を示した図。 実施例１の発光素子のバンド構造を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光素子１の構成を示した図である。発光素子１は、サファイア基板１００上にＡｌＮからなるバッファ層２０１を介して、III 族窒化物半導体からなる、ｎ型コンタクト層２０２、ＥＳＤ層（静電耐圧改善層）１０２、ｎ型層側超格子層（以下、「ｎ型超格子層」という）１０３、発光層１０４、アンドープクラッド層１０５、ｐ型層側クラッド層（以下、「ｐ型クラッド層」という）１０６、ｐ型コンタクト層１０７、が積層され、ｐ型コンタクト層１０７上にｐ電極１０８が形成され、ｐ型コンタクト層１０７側から一部領域がエッチングされて露出したｎ型コンタクト層２０２上にｎ電極１３０が形成された構造である。基底層２００は、サファイア基板１００とｎ型超格子層１０３との間にあるバッファ層２０１を除く全ての単結晶層の積層体である。すなわち、基底層２００は、ｎ型コンタクト層２０２、ＥＳＤ層（静電耐圧改善層）１０２で構成されている。そして、基底層２００の層中に厚さ１５ÅのＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎの単層から成る電子注入調整層２０３が配設されている。

サファイア基板１００の表面には、光取り出し効率を向上させるために凹凸加工が施されている。サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどを成長基板として用いてもよい。

ｎ型コンタクト層２０２は、Ｓｉ濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上のｎ−ＧａＮである。ｎ電極１３０とのコンタクトを良好とするために、ｎ型コンタクト層２０２をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。

ＥＳＤ層１０２は、ｎ型コンタクト層２０２側から第１ＥＳＤ層１１１、第２ＥＳＤ層１１２、第３ＥＳＤ層１１３、第４ＥＳＤ層１１４から成る。第１ＥＳＤ層１１１は、厚さ５００ｎｍのＳｉが５×１０¹⁷／ｃｍ³ に添加されたｎ−ＧａＮである。第２ＥＳＤ層１１２は、厚さ３０ｎｍのＳｉが６×１０¹⁸／ｃｍ³ に添加されたｎ−ＧａＮである。第３ＥＳＤ層１１３は、厚さ３００ｎｍのアンドープで残留電子濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³ のｉ−ＧａＮである。第４ＥＳＤ層１１４は、厚さ３０ｎｍのＳｉが６×１０¹⁸／ｃｍ³ に添加されたｎ−ＧａＮである。第１ＥＳＤ層１１１は、１１００℃で高温成長させ、第２ＥＳＤ層１１２、第３ＥＳＤ層１１３、及び、第４ＥＳＤ層１１４は、全て、８５０℃の低温成長させた。

第１ＥＳＤ層１１１は、厚さは５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下、Ｓｉの濃度は、１×１０¹⁶以上、１０×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下とすることができる。第１ＥＳＤ層１１１の表面にはピットが生じており、そのピット密度は１×１０⁸ ／ｃｍ² 以下である。第２ＥＳＤ層１１２は、厚さ２５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下とすることができ、Ｓｉの濃度は、１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上、１０×１０¹⁸／ｃｍ³ 以下とすることができる。第３ＥＳＤ層１１３の表面にもピットが生じており、そのピット密度は１×１０⁸ ／ｃｍ² 以上である。第３ＥＳＤ層１１３は、厚さは５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下とすることができ、電子濃度はなるべく低い方が望ましく、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷／ｃｍ³ 程度とするのが良い。第４ＥＳＤ層１１４は、厚さ２５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下とすることができ、Ｓｉの濃度は、１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上、１０×１０¹⁸／ｃｍ³ 以下とすることができる。

アンドープの第３ＥＳＤ層１１３とＳｉドープの第４ＥＳＤ層１１４との間に、本願発明に係る厚さ１５ÅのアンドープのＡｌ_0.35 Ｇａ_0.65Ｎの単層から成る電子注入調整層２０３が形成されている。成長温度は、周囲の第３ＥＳＤ層１１３及び第４ＥＳＤ層１１４と同じく８５０℃とした。この電子注入調整層２０３の厚さは、５Å以上、３０Å以下とすることができる。電子注入調整層２０３をＡｌＧａＮで形成した場合におけるＡｌ組成比ｘは、０．１５以上、０．５以下とすることができる。しだかって、Ｇａの組成比は、０．５以上、０．８５以下である。望ましくは、０．２以上、０．４以下である。また、Ｓｉが添加されて、ｎ伝導型であっても良い。

ｎ型超格子層１０３は、厚さ２．５ｎｍのアンドープのＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１、厚さ０．７ｎｍのアンドープのＧａＮ層１３２、厚さ１．４ｎｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３の３層を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を１５回繰り返し積層させた超格子構造である。ただし、ｎ型超格子層１０３は、最初に形成する層、すなわち、第４ＥＳＤ層１１４に接する層をＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１とし、最後に形成する層、すなわち、発光層１０４に接する層をｎ−ＧａＮ層１３３としている。ｎ型超格子層１０３の全体の厚さは、６９ｎｍである。ここで、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１の厚さは、１．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とすることができる。アンドープＧａＮ層１３２の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。

発光層１０４（活性層ともいう）は、厚さ２．４ｎｍのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１４１、厚さ３．２ｎｍのＩｎ_{0 .2}Ｇａ_0.8 Ｎ層１４２、厚さ０．６ｎｍのＧａＮ層１４３、厚さ０．６ｎｍのＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層１４４の４層を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を３〜１０回繰り返し積層させたＭＱＷ構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、ｎ型超格子層１０３に接する層をＩｎ_{0 .2}Ｇａ_0.8 Ｎ層１４２、最後に形成する層、すなわち、アンドープクラッド層１０５に接する層をＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層１４４としている。発光層１０４の全体の厚さは５８．８ｎｍである。発光層１０４の全ての層は、アンドープである。発光層１０４とｐ型クラッド層１０６との間に、厚さ２．５ｎｍのアンドープのＧａＮ層１５１と厚さ３ｎｍのアンドープのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ１５２とから成るアンドープクラッド層１０５が設けられている。アンドープクラッド層１０５は、その上層に添加されているＭｇが発光層１０４へ拡散するのを防止するための層である。

ｐ型クラッド層１０６は、厚さ０．７ｎｍのｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１６１、厚さ１．４ｎｍのｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層１６２を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を１２．５回繰り返し積層させた構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、アンドープクラッド層１０５に接する層をｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層１６２とし、最後に形成する層、すなわち、ｐ型コンタクト層１０７に接する層をｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層１６２としている。ｐ型クラッド層１０６の全体の厚さは２５．２ｎｍである。ｐ型不純物にはＭｇを用いている。

ｐ型コンタクト層１０７は、Ｍｇをドープしたｐ−ＧａＮである。ｐ電極とのコンタクトを良好とするために、ｐ型コンタクト層１０７をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。発光素子１は、ＥＳＤ層１０２を上記のような構成としたことで、良好な静電耐圧特性が得られ、かつ、発光効率、信頼性が向上し、電流リークが減少している。

次に、発光素子１の製造方法について図２を参照に説明する。ただし、図２では、図１で示された超格子の周期構造の表示は省略されている。
用いた結晶成長方法は有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）である。ここで用いられたガスは、キャリアガスは水素と窒素（Ｈ₂ 又はＮ₂ ）を用い、窒素源には、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源には、トリメチルガリウム（Ｇａ(CH₃)₃：以下「ＴＭＧ」と書く。) 、Ｉｎ源には、トリメチルインジウム（Ｉｎ(CH₃)₃：以下「ＴＭＩ」と書く。) 、Ａｌ源には、トリメチルアルミニウム（Ａｌ(CH₃)₃：以下「ＴＭＡ」と書く。) 、ｎ型ドーパントガスには、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ｐ型ドーパントガスには、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ：以下「ＣＰ₂ Ｍｇ」と書く。）を用いた。

まず、サファイア基板１００を水素雰囲気中で加熱してクリーニングを行い、サファイア基板１００表面の付着物を除去した。その後、ＭＯＣＶＤ法によって、基板温度を４００℃にして、サファイア基板１００上にＡｌＮからなるバッファ層２０１を形成した。次に、水素ガス（キャリアガス）とアンモニアガスを流しながら基板温度を１１００℃まで上昇させ、基板温度が１１００℃になったら直ちに、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉ濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³ のＧａＮよりなるｎ形コンタクト層２０２を、バッファ層２０１上に形成した（図２（ａ））。

次に、以下のようにしてＥＳＤ層１０２を形成した。まず、ｎ型コンタクト層２０２上に、ＭＯＣＶＤ法によって厚さ５００ｎｍ、Ｓｉ濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³ のｎ−ＧａＮである第１ＥＳＤ層１１１を形成した。成長温度は１１００℃とし、ピット密度が１×１０⁸ ／ｃｍ² 以下の良質な結晶が得られるようにした。成長温度は１０００℃以上とすると、良質な結晶が得られる。

次に、第１ＥＳＤ層１１１上に、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ３０ｎｍのＳｉが６×１０¹⁸／ｃｍ³ に添加されたｎ−ＧａＮから成る第２ＥＳＤ層１１２を形成した。成長温度は８５０℃とした。成長温度は、８５０℃以上、９５０℃以下としても良い。次に、第２ＥＳＤ層１１２の上に、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ３００ｎｍのアンドープで残留電子濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³ のｉ−ＧａＮから成る第３ＥＳＤ層１１３を形成した。成長温度は８５０℃とした。成長温度は、８００℃以上、９５０℃以下としても良い。キャリア濃度は、５×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下とすると、ピット密度１×１０⁸ ／ｃｍ² 以上の結晶が得られる。成長温度は８００℃以上、９００℃以下とするとよりピット密度が増加し好ましい。

次に、第３ＥＳＤ層１１３上に、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ１５ÅのアンドープのＡｌ_0.35 Ｇａ_0.65Ｎの単層から成る電子注入調整層２０３を形成した。成長温度は、８５０℃である。成長温度は、第２ＥＤＳ層１１２、第３ＥＳＤ層１１３と同じく、８００℃以上、９５０℃以下とすることができる。

次に、電子注入調整層２０３の上に、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ３０ｎｍのＳｉが６×１０¹⁸／ｃｍ³ に添加されたｎ−ＧａＮから成る第４ＥＳＤ層１１４を形成した。成長温度は８５０℃とした。成長温度は８００℃以上、９５０℃以下とすることができる。以上の工程により、ＡｌＮバッファ層２０１から第４ＥＳＤ層１１４までの基底層２００が形成された（図２（ｂ））。

次に、第４ＥＳＤ層１１４上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型超格子層１０３を形成した。ｎ型超格子層１０３として、厚さ２．５ｎｍのアンドープのＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１、厚さ０．７ｎｍのアンドープのｉ−ＧａＮ層１３２、厚さ１．４ｎｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３から成る周期構造を１５周期、繰り返して形成した。Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１の形成は、基板温度を８３０℃にして、シランガス、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給して行った。ｎ−ＧａＮ層１３３の形成は、基板温度を８３０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを供給して行った。

次に、ｎ型超格子層１０３の上に、発光層１０４を形成した。発光層１０４として、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１４１、Ｉｎ_{0 .2}Ｇａ_0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層１４４の４層の周期構造を９回繰り返して形成した。Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層１４４の成長温度は、８００〜９５０℃の範囲の任意の温度とし、井戸層であるＩｎ_{0 .2}Ｇａ_0.8 Ｎ層１４２、ＧａＮ層１４３及び障壁層であるＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１４１の成長温度は、７５０℃〜８５０℃とした。勿論、各層の成長において、各層を成長させる基板温度は、一定にしても良い。それぞれの原料ガスを供給して、発光層１０４を形成した。

次に、発光層１０４の上に、基板温度を８５５℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、アンドープのＧａＮ層１５１を厚さ２．５ｎｍに成長させ、次に、基板温度を８５５℃に保持し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、アンドープのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ１５２を厚さ３ｎｍに成長させた。これにより、アンドープクラッド層１０５を形成した。

次に、アンドープクラッド層１０５の上に、ｐ型クラッド層１０６を形成した。基板温度を８５５℃にして、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１６１を厚さ０．７ｎｍに、基板温度を８５５℃にして、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、ｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層１６２を、厚さ１．４ｎｍに形成することを、１２．５回繰り返して積層させた。

次に、基板温度を１０００℃にして、ＴＭＧ、アンモニア、ＣＰ₂ Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ ドープしたｐ形ＧａＮよりなる厚さ５０ｎｍのｐ形コンタクト層１０７を形成した。このようにして、図２（ｃ）に示す素子構造が形成された。ｐ形コンタクト層１０７のＭｇ濃度は、１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上、１×１０²¹／ｃｍ ³以下の範囲で使用可能である。また、ｐ形コンタクト層１０７の厚さは、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の範囲としても良い。

次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１０７の表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層２０２に達する溝を形成した。そして、ｐ型コンタクト層１０７の表面にＮｉ／Ａｕ／Ａｌ（ｐ型コンタクト層１０７の側からこの順に積層した構造）からなるｐ電極１０８、ドライエッチングによって溝底面に露出したｎ型コンタクト層２０２上にＮｉ／Ａｕ（ｎ型コンタクト層２０２側からこの順に積層させた構造）からなるｎ電極１３０を形成した。以上によって図１に示す発光素子１が製造された。

図３は 発光素子１のバンド構造を示している。伝導帯において、ｎ型コンタクト層２０２から発光層１０４に注入される電子に関して、Ａｌ_0.35 Ｇａ_0.65Ｎの単層から成る電子注入調整層２０３による電位障壁が最も高い。このため、注入される電子のエネルギーは高いため、拡散長は短くなる。電子の拡散長は、この電子注入調整層２０３の障壁の高さで制御されることになり、これにより、発光層１０３での厚さ方向での電子密度が一様化されて、発光層１０３に注入された正孔とが有効に結合することになり、発光効率が向上する。

図１の発光素子において、Ａｌ_0.35 Ｇａ_0.65Ｎの単層から成る電子注入調整層２０３を設けず、他の構成は同一とした発光素子を比較例として製造した。比較列の発光素子の発光出力対して、本実施例の発光出力は、１．００９倍の出力の向上が見られた。また、逆方向リーク電流は、比較例が０．０７９μｍＡであるのに対して、本実施例の逆方向リーク電流は０．０５２μＡと、比較例の２／３に低減できた。

電子注入調整層２０３の厚さと組成比は、発光出力が最大となるように、調整される。厚さとしては、５Å以上、３０Å以下の範囲が最適である。５Åより薄いと、電子の注入調整の機能が果たせない。３０Åより厚いと、抵抗が増大して駆動電圧が大幅に増加するので望ましくない。厚さがこの範囲にある場合には、電子注入調整層２０３における駆動電圧の上昇を最小限に抑制できる。さらに、発光層１０３に注入される電子の拡散長は短くなり、発光層１０３の厚さ方向の電子密度がより均一化されるので、発光出力が向上する。

上記実施例において、電子注入調整層２０３は、第３ＥＳＤ層１１３と第４ＥＳＤ層１１４との間に設けた。これに限らず、第２ＥＳＤ層１１２と第３ＥＳＤ層１１３との間、第１ＥＳＤ層１１１と第２ＥＳＤ層１１２との間に、ｎ型コンタクト層２０２と第２ＥＳＤ層１１１との間に設けても良い。すなわち、電子注入調整層２０３は基底層２００の中に設けても良い。また、電子注入層２０３は、第４ＥＳＤ層１１４とｎ型超格子層１０３の間に設けても良い。すなわち、電子注入層２０３は、基底層２００の最上層として形成しても良い。ｎ型超格子層１０３の中に形成することは、ｎ型超格子層１０３による歪み緩和の効果を阻害するので望ましくない。電子注入調整層２０３はアンドープとしたが、Ｓｉが添加されていても良い。また、電子注入調整層２０３のＡｌＧａＮには、結晶性の向上のために、Ｉｎが添加されていても良い。Ａｌを必須とするＡｌＧａＩｎＮで構成しても良い。

上記実施例において、ｎ型超格子層１０３は、ｎ型コンタクト層２０２の側から、アンドープのＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１、アンドープのＧａＮ層１３２、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３の周期構造としたが、配列に関して、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層としても良く、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層としても良く、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層、アンドープのＧａＮ層としても良い。また、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１にも、Ｓｉをドープして、ｎ型層としても良いし、ＧａＮ層１３３をアンドープとしても良い。また、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１３３に代えて、ＳｉドープのＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層１３３としても良いし、そのＡｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層１３３はアンドープであっても良い。

ｎ型超格子層１０３は、１５周期としたが、この周期数は、任意である。例えば、一例であるが、３以上、３０周期以下の範囲とすることができる。また、アンドープのＧａＮ層１３２の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。ＳｉドープのＧａＮ層１３３の厚さは、０．３ｎｍ以上、２．５ｎｍ以下とすることができる。Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層１３１の厚さは、１．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とすることができる。

また、上記実施例において、ｐ型クラッド層１０６は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの周期構造の他、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの周期構造、組成比の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの周期構造であっても良い。組成比の異なる

本発明は、III 族窒化物半導体発光素子において、駆動電圧を上昇させることなく、発光効率を向上させるのに用いることができる。

１００：サファイア基板
２０２：ｎ型コンタクト層
２００：基底層
１０２：ＥＳＤ層
１０３：ｎ型超格子層
１０４：発光層
１０５：アンドープクラッド層
１０６：ｐ型クラッド層
１０７：ｐ型コンタクト層
１０８：ｐ電極
１３０：ｎ電極
１１１：第１ＥＳＤ層
１１２：第２ＥＳＤ層
１１３：第３ＥＳＤ層
１１４：第４ＥＳＤ層
２０３：電子注入調整層

Claims (9)

1. 基板と、ｎ電極と、各層がIII 族窒化物半導体から成り、前記基板上に形成された単結晶の基底層、前記基底層に接合したｎ型層側超格子層、前記ｎ型層側超格子層に接合した発光層、ｐ型層側クラッド層、及び、ｐ型層側コンタクト層をこの順で有した積層構造と、ｐ電極とを有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記ｎ型層側超格子層は、全周期に渡り組成比が一定のＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層とＧａＮ層とが繰り返された積層構造であり、
   前記基底層は、前記ｎ電極から注入される電子がｐ電極に向けて流れる経路中に形成され、前記基底層の中の層として、又は、前記ｎ型超格子層との接合面の層として形成された電子注入調整層であって、前記基底層を構成する他のいずれの層の伝導帯の底の電子レベルよりも、伝導帯の底の電子レベルが高い、厚さ５Å以上、３０Å以下のＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の単層から成る電子注入調整層を
   有する
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. 前記電子注入調整層のＡｌの組成比ｘは、０．１５以上、０．５以下、Ｇａの組成比ｙは、０．５以上、０．８５以下、であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
3. 前記電子注入制御層の前記発光層の側の面上にはＩｎ_z Ｇａ_1-z Ｎ（０＜ｚ＜１）層が接合することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
4. 前記基底層のうち、前記電子注入調整層が形成される領域は、ＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
5. 前記ＧａＮは、９５０℃以下、８００℃以上の温度で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
6. 前記電子注入調整層が形成される前記基底層の領域のうち、前記電子注入調整層に接して前記基板の側に位置する下領域は、貫通転位を基点としたＶピットを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
7. 前記下領域の前記電子注入調整層に接触する面上での前記Ｖピットの直径は２０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
8. 前記電子注入調整層の前記伝導帯の底の電子レベルは、動作時おいて、前記ｐ型層側クラッド層の伝導帯の底のうち電子レベルが最も高い電子レベルよりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
9. 前記電子注入調整層のＡｌ組成比ｘと厚さは、光出力が最大となる値に調整されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。

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