JP5744615B2 - 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する。

従来から、窒化物半導体発光ダイオード素子などの窒化物半導体発光素子の活性層には、窒化物半導体発光素子の高い発光効率を確保するため、量子井戸層と、障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造が採用されている。

たとえば、特許文献１（特開２００７−２０１１４６号公報）には、多重量子井戸構造からなる活性層の障壁層にＡｌＧａＮ層を用いた窒化物半導体発光素子が記載されている。

特許文献１においては、ＡｌＧａＮからなる障壁層を用いることによって、活性層中の量子井戸層の歪を緩和することができ、さらにＡｌＧａＮからなる障壁層の厚さを薄くすることによって電子および正孔を効率良く活性層に供給することができるため、窒化物半導体発光素子の発光効率が向上するとされている。

特開２００７−２０１１４６号公報

窒化物半導体発光ダイオード素子の共通の課題として、大電流密度の電流を活性層に注入した場合に、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率が低下するdroop現象が挙げられる。

droop現象が生じる理由としては、電子と正孔の拡散距離の差異によって引き起こされるｐ型窒化物半導体層への電子のオーバーフローが挙げられる。また、多重量子井戸構造の活性層の厚さ方向にキャリアが均一に分配されず、活性層のｐ型窒化物半導体層側にキャリアが局在してその部分のキャリア密度が局所的に高くなるために、droop現象が強められることも挙げられる。

しかしながら、近年では、ＬＥＤ照明などの用途に大電流密度で駆動させる窒化物半導体発光ダイオード素子の需要が高まってきているため、大電流密度で駆動させた場合でもdroop現象による発光効率の低下を抑制することができる窒化物半導体発光ダイオード素子の要望が大きくなっている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、大電流密度の電流を活性層に注入した場合における発光効率の低下を抑制することができ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。

本発明の第１の態様によれば、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設けられた活性層とを備え、活性層は、量子井戸層と、ｐ型窒化物半導体層に接する障壁層とを含む多重量子井戸構造を有し、障壁層は、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層との２層構造からなり、障壁層のＡｌＧａＮ層が、量子井戸層のｐ型窒化物半導体層側に接しており、ＡｌＧａＮ層が、ＭｇおよびＩｎの少なくとも一方を含み、ＡｌＧａＮ層のＩｎ原子の含有量が、０．０１原子％以上５原子％以下であ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。

ここで、本発明の第１の態様の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下であることが好ましい。

また、本発明の第１の態様の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ＡｌＧａＮ層の厚さが、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の第２の態様によれば、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設けられた活性層とを備え、活性層は、量子井戸層と、ＧａＮ層の単層からなる第１の障壁層と、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との２層構造からなる第２の障壁層とを含む多重量子井戸構造を有し、量子井戸層は、量子井戸層のうちｎ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第１の量子井戸層と、量子井戸層のうちｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第２の量子井戸層とを含み、第１の量子井戸層のｐ型窒化物半導体層側および第２の量子井戸層のｐ型窒化物半導体層側にそれぞれ第１の障壁層が配置されており、第１の量子井戸層および第２の量子井戸層以外の量子井戸層は第２の障壁層と接して形成されてい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。

また、本発明の第１〜第２の態様の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、多重量子井戸構造の周期数が６以上２０以下であることが好ましい。

さらに、本発明の第１〜第２の態様の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層および活性層は、それぞれ、ｃ面を主面とすることが好ましい。

本発明によれば、大電流密度の電流を活性層に注入した場合における発光効率の低下を抑制することができ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。

実施の形態１の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。 実施の形態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の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態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の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態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の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態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の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。 実施の形態２の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。 実施の形態３の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。 実施の形態４の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。 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の製造工程の一部について図解する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製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する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製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する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製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する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製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する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製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する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製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する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。

＜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である実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。ここで、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１上に設けられたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２上に設けられた活性層３と、活性層３上に設けられたｐ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体層４上に設けられた透明導電層５と、透明導電層５上に設けられたｐ側電極６と、ｎ型窒化物半導体層２上に設けられたｎ側電極７とを備えている。

ここで、活性層３は、ｎ型窒化物半導体層２とｐ型窒化物半導体層４との間に設けられており、ｎ型窒化物半導体層２側から量子井戸層１１と障壁層１２とが交互に積層された構造を有している。活性層３は、複数の量子井戸層１１を含む多重量子井戸構造を有している。

また、障壁層１２は、ＡｌＧａＮ層１２ａと、ＡｌＧａＮ層１２ａ上に設けられたＧａＮ層１２ｂとの２層構造から形成されており、活性層３の最上層の障壁層１２のＧａＮ層１２ｂがｐ型窒化物半導体層４と接している。一方、活性層３の最下層となる量子井戸層１１がｎ型窒化物半導体層２と接しており、最下層の量子井戸層１１のｐ型窒化物半導体層４側の表面に障壁層１２のＡｌＧａＮ層１２ａが接している。すなわち、活性層３においては、ｎ型窒化物半導体層２側からｐ型窒化物半導体層４側にかけて、量子井戸層１１、ＡｌＧａＮ層１２ａおよびＧａＮ層１２ｂがこの順序で繰り返して積層された構造を有している。

以下、図２〜図５の模式的断面図を参照して、実施の形態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２に示すように、基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２を積層する。ここで、ｎ型窒化物半導体層２は、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などによって基板１上に形成することができる。

基板１としては、たとえば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板、ＧａＮ自立基板、ＳｉＣ基板、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）基板またはＺｎＯ基板などを用いることができる。

ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば、Ａｌ_x1Ｇａ_y1Ｉｎ_z1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体にＳｉなどのｎ型ドーパントをドープさせた窒化物半導体結晶などを用いることができる。ｎ型窒化物半導体層２は単層に限定されず、たとえば、低温バッファ層、アンドープ層および超格子層などの組成および／またはｎ型ドーパントのドーピング濃度が異なる複数層であってもよい。なお、ｎ型窒化物半導体層２がその一部にアンドープ層を含む場合には、ｎ型窒化物半導体層２全体でｎ型の導電型を示せばよい。

次に、図３に示すように、ｎ型窒化物半導体層２上に活性層３を積層する。ここで、活性層３は、たとえばＭＯＣＶＤ法などによってｎ型窒化物半導体層２上に、量子井戸層１１、ＡｌＧａＮ層１２ａおよびＧａＮ層１２ｂをこの順序で繰り返して積層することによって形成することができる。

量子井戸層１１としては、たとえば、Ａｌ_x2Ｇａ_y2Ｉｎ_z2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶などを用いることができ、特にＧａ_y2Ｉｎ_z2Ｎ（０＜ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｙ２＋ｚ２＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶を用いることが好ましい。

ＡｌＧａＮ層１２ａとしては、Ａｌ_x3Ｇａ_y3Ｎ（０．１≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１、ｘ３＋ｙ３≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶が用いられる。すなわち、ＡｌＧａＮ層１２ａのＡｌ原子の含有量は１０原子％以上とされる。

なお、ＡｌＧａＮ層１２ａおよびＧａＮ層１２ｂのバンドギャップは、それぞれ、量子井戸層１１のバンドギャップよりも大きくなっており、ＡｌＧａＮ層１２ａのバンドギャップはＧａＮ層１２ｂのバンドギャップよりも大きくなっている。

次に、図４に示すように、活性層３上にｐ型窒化物半導体層４を積層し、ｐ型窒化物半導体層４上に透明導電層５を積層する。ここで、ｐ型窒化物半導体層４は、たとえばＭＯＣＶＤ法などによって活性層３上に形成することができる。また、透明導電層５は、たとえばスパッタリング法などによってｐ型窒化物半導体層４上に形成することができる。

ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえば、Ａｌ_x5Ｇａ_y5Ｉｎ_z5Ｎ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｘ５＋ｙ５＋ｚ５≠０）の式で表わされる窒化物半導体にＭｇなどのｐ型ドーパントをドープさせた窒化物半導体結晶などを用いることができる。

透明導電層５としては、たとえば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電膜を用いることができる。

次に、図５に示すように、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４および透明導電層５のそれぞれの一部をフォトエッチングすることによってｎ型窒化物半導体層２の表面を露出させる。

次に、図１に示すように、透明導電層５の表面上にｐ側電極６を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層２の露出表面上にｎ側電極７を形成する。ここで、ｐ側電極６としては、たとえば、透明導電層５の表面上にＴｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層をこの順序で積層したものなどを用いることができる。また、ｎ側電極７としては、たとえば、ｎ型窒化物半導体層２の露出表面上にＴｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層をこの順序で積層したものなどを用いることができる。

以上により、図１に示す実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子が製造される。

実施の形態１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の量子井戸層１１のｐ型窒化物半導体層４側の表面に接する障壁層１２のＡｌＧａＮ層１２ａのＡｌ原子の含有量を１０原子％以上としている。これにより、量子井戸層１１とＡｌＧａＮ層１２ａとの間の伝導帯間のエネルギ差を大きくして、活性層３に注入された電子のｐ型窒化物半導体層４へのオーバーフローを抑えることができる。一方、活性層３に注入された正孔は、量子井戸層１１の価電子帯からＡｌＧａＮ層１２ａの価電子帯までにその中間のエネルギ帯であるＧａＮ層１２ｂの価電子帯を介してｎ型窒化物半導体層２側に移動することができるため、電子と比べて容易に活性層３中を移動することができ、活性層３中における電子に対する正孔の拡散距離を長くすることができる。そのため、実施の形態１においては、ＡｌＧａＮ層１２ａを形成しない場合と比べて、活性層３における電子と正孔との拡散距離の差異を小さくすることができるため、ｐ型窒化物半導体層４への電子のオーバーフローを抑えることができるだけでなく、多重量子井戸構造を有する活性層３の厚さ方向にキャリアを均一に分配して活性層３のｐ型窒化物半導体層４側にキャリアが局在するのを抑えることができる。

以上の理由により、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、大電流密度で駆動させた場合でもdroop現象による発光効率の低下を抑制することができるため、大電流密度の電流を活性層３に注入した場合の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を抑制することができる。

図１に示す実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子において、ＡｌＧａＮ層１２ａの厚さｔ１は、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮ層１２ａの厚さｔ１が１ｎｍ以上４ｎｍ以下である場合には、正孔がＡｌＧａＮ層１２ａをトンネルしやすくなって、正孔が活性層３の内部に拡散しやすくなるため、活性層３へのキャリアの分配の均一性を向上させることができ、droop現象による発光効率の低下をさらに抑制することができる傾向にある。

また、活性層３の多重量子井戸構造の周期数は、６以上２０以下であることが好ましい。活性層３の多重量子井戸構造の周期数が６以上である場合には、活性層３の厚さ方向にキャリアを均一に分配することができる傾向が大きくなる。また、活性層３の多重量子井戸構造の周期数が２０以下である場合には、活性層３の厚さがキャリアの拡散長よりも厚くなり過ぎない傾向にある。そのため、活性層３の多重量子井戸構造の周期数が６以上２０以下である場合には、droop現象による発光効率の低下をさらに抑制することができる傾向にある。

なお、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４がそれぞれｃ面を主面（成長面）とする場合には、窒化物半導体発光ダイオード素子に生じるピエゾ電界が正孔の輸送を妨げる。しかしながら、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、このようなピエゾ電界が生じている場合でも、高い発光効率を発現することができる点で有用である。

＜実施の形態２＞
図６に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。ここで、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、活性層３の構造が実施の形態１と異なっている点に特徴がある。

すなわち、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層３においては、ｎ型窒化物半導体層２側から、量子井戸層１１、ＡｌＧａＮ層１２ｃ、ＧａＮ層１２ｄおよびＩｎＧａＮ層１２ｅがこの順序で繰り返して積層されており、ＧａＮ層１２ｄで積層が完了する多重量子井戸構造を形成している。

また、活性層３の最下層に位置する量子井戸層１１以外の量子井戸層３のｎ型窒化物半導体層２側の表面にはＩｎＧａＮ層１２ｅが接しており、ｐ型窒化物半導体層４側の表面にはＡｌＧａＮ層１２ｃが接している。

実施の形態２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の最下層である障壁層１２は、量子井戸層１１側からｎ型窒化物半導体層２側にかけて、バンドギャップが次第に大きくなるように窒化物半導体層が配置（ＩｎＧａＮ層１２ｅ、ＧａＮ層１２ｄおよびＡｌＧａＮ層１２ｃの順に配置）されている。

したがって、量子井戸層１１から障壁層１２に正孔が拡散するときに、量子井戸層１１の価電子帯からＡｌＧａＮ層１２ｃの価電子帯までに、順次大きくなる２段階の中間のエネルギ帯であるＩｎＧａＮ層１２ｅおよびＧａＮ層１２ｄの価電子帯を介してｎ型窒化物半導体層２側に移動することができるため、電子と比べて容易に活性層３中を移動することができ、活性層３中における電子に対する正孔の拡散距離を長くすることができる。

そのため、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においても、ｐ型窒化物半導体層４への電子のオーバーフローを抑えることができるだけでなく、多重量子井戸構造を有する活性層３の厚さ方向にキャリアを均一に分配して活性層３のｐ型窒化物半導体層４側にキャリアが局在するのを抑えることができることから、droop現象による発光効率の低下を抑制することができる。

また、量子井戸層１１に接するＡｌＧａＮ層１２ｃの厚さｔ２は、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、量子井戸層１１に接するＡｌＧａＮ層１２ｃの厚さを十分に薄くすることができるため、量子井戸層１１に接する障壁層１２上に形成される量子井戸層１１の結晶性の悪化を防止することができる。

また、量子井戸層１１がＩｎを含む窒化物半導体結晶からなる場合には、障壁層１２のＩｎＧａＮ層１２ｅ中のＩｎ原子の含有量は、量子井戸層１１中のＩｎ原子の含有量よりも少ないことが好ましく、障壁層１２のＩｎＧａＮ層１２ｅ中のＩｎ原子の含有量は、量子井戸層１１中のＩｎ原子の含有量の０．３倍以上０．７倍以下であることがより好ましい。この場合には、ＩｎＧａＮ層１２ｅおよびＧａＮ層１２ｄの２段階の中間のエネルギ帯を設けたことによるdroop現象に起因する発光効率の低下の抑制効果をさらに高めることができる傾向にある。

また、量子井戸層１１に接するＩｎＧａＮ層１２ｅの厚さｔ３は、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、量子井戸層１１に接するＩｎＧａＮ層１２ｅの厚さを十分に薄くすることができるため、量子井戸層１１に接する障壁層１２上に形成される量子井戸層１１の結晶性の悪化を防止することができる。

ＡｌＧａＮ層１２ｃとしては、たとえば、Ａｌ_x6Ｇａ_y6Ｉｎ_z6Ｎ（０≦ｘ６≦１、０≦ｙ６≦１、０≦ｚ６≦１、ｘ６＋ｙ６＋ｚ６≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶などを用いることができる。

ＩｎＧａＮ層１２ｅとしては、たとえば、Ｇａ_y8Ｉｎ_z8Ｎ（０＜ｙ８＜１、０＜ｚ８＜１、ｙ８＋ｚ８＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶などを用いることができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、その説明については省略する。

＜実施の形態３＞
図７に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。ここで、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子は、多重量子井戸構造を有する活性層３の障壁層として、ＭｇおよびＩｎの少なくとも一方を含むＡｌＧａＮ層１２ｆと、ＧａＮ層１２ｂとの２層構造からなる障壁層４２を用いている点に特徴がある。

すなわち、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層３は、ｎ型窒化物半導体層２側から、量子井戸層１１、ＡｌＧａＮ層１２ｆおよびＧａＮ層１２ｂがこの順に繰り返して積層された多重量子井戸構造を有している。ここで、活性層３の最下層である量子井戸層１１はｎ型窒化物半導体層２に接しており、活性層３の最上層の障壁層４２のＧａＮ層１２ｂはｐ型窒化物半導体層４に接している。また、障壁層４２のＡｌＧａＮ層１２ｆが、当該障壁層４２上の量子井戸層１１のｐ型窒化物半導体層４側の表面に接している。

量子井戸層１１としてＩｎを含む窒化物半導体結晶を用いる場合には、量子井戸層１１からのＩｎの蒸発を抑制するために、ＡｌＧａＮ層１２ｆを低温（たとえば７００℃〜８００℃）で成長させる必要がある。このような低温で窒化物半導体結晶を成長させた場合には、平坦な成長面を得ることが難しいが、ＭｇおよびＩｎの少なくとも一方を含むＡｌＧａＮ層１２ｆについてはこのような低温（たとえば７００℃〜８００℃）で成長させた場合にも平坦な成長面が得られる傾向にある。これは、ＡｌＧａＮ層の成長中にＭｇおよびＩｎの少なくとも一方を含ませることによりＡｌＧａＮ層の２次元成長が促進されるためである。

実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層３においても、実施の形態１と同様に、ＡｌＧａＮ層１２ｆとＧａＮ層１２ｂとの２層構造からなる障壁層４２が用いられているため、活性層３中における電子に対する正孔の拡散距離を長くすることができる。

そのため、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においても、ｐ型窒化物半導体層４への電子のオーバーフローを抑えることができるだけでなく、多重量子井戸構造を有する活性層３の厚さ方向にキャリアを均一に分配して活性層３のｐ型窒化物半導体層４側にキャリアが局在するのを抑えることができることから、droop現象による発光効率の低下を抑制することができる。

ここで、ＡｌＧａＮ層１２ｆがＭｇを含む場合には、ＡｌＧａＮ層１２ｆのＭｇ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮ層１２ｆのＭｇ濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上である場合には、Ｍｇが界面活性剤として機能することにより、ＡｌＧａＮ層１２ｆを低温で成長させた場合でも平坦な表面を有するＡｌＧａＮ層１２ｆが得られる傾向が大きくなる。また、ＡｌＧａＮ層１２ｆのＭｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以下である場合には、ＡｌＧａＮ層１２ｆの結晶性を悪化させるので、それ以下であることが好ましい。

また、ＡｌＧａＮ層１２ｆがＩｎを含む場合には、ＡｌＧａＮ層１２ｆのＩｎ原子の含有量は０．０１原子％以上５原子％以下であることが好ましい。ＡｌＧａＮ層１２ｆのＩｎ原子の含有量が０．０１原子％以上である場合には、Ｉｎが界面活性剤として機能することにより、ＡｌＧａＮ層１２ｆを低温で成長させた場合でも平坦な表面を有するＡｌＧａＮ層１２ｆが得られる傾向が大きくなる。また、ＡｌＧａＮ層１２ｆのＩｎ原子の含有量が５原子％以下である場合には、ＡｌＧａＮ層１２ｆのバンドギャップを小さくしすぎることがないため、droop現象による発光効率の低下をさらに抑制することができる傾向にある。

なお、本明細書において、ＡｌＧａＮ層のＩｎ原子の含有量が０．０１原子％以上５原子％以下であるとは、ＡｌＧａＮ層のＡｌとＧａとＩｎの総原子数を１００としたときのＩｎの原子数の比率が０．０１以上５以下であることを意味する。

また、量子井戸層１１のｐ型窒化物半導体層４側の表面に接するＡｌＧａＮ層１２ｆの厚さｔ４は、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、活性層３へのキャリアの分配の均一性を向上させることができることから、droop現象による発光効率の低下をさらに抑制することができる傾向にある。

ＡｌＧａＮ層１２ｆとしては、たとえば、Ａｌ_x9Ｇａ_y9Ｎ（０＜ｘ９＜１、０＜ｙ９＜１、ｘ９＋ｙ９＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶などを用いることができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、その説明については省略する。

＜実施の形態４＞
図８に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例である実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。ここで、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子は、活性層３の構造が実施の形態１〜３と異なっている点に特徴がある。

すなわち、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層３は、ｎ型窒化物半導体層２側から、量子井戸層１１、第１の障壁層５２ａ、量子井戸層１１および第２の障壁層５２ｂがこの順に繰り返して積層されており、第１の障壁層５２ａで積層が完了する多重量子井戸構造を形成している。ここで、第１の障壁層５２ａはＧａＮ層の単層からなり、第２の障壁層５２ｂはＡｌＧａＮ層１２ａと、ＡｌＧａＮ層１２ａ上に設けられたＧａＮ層１２ｂとの２層構造からなる。また、活性層３の最下層である量子井戸層１１は、ｎ型窒化物半導体層２に接しており、活性層３の最上層である第１の障壁層５２ａは、ｐ型窒化物半導体層４に接している。

また、実施の形態４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を構成する量子井戸層１１のうち、ｎ型窒化物半導体層２に最も近い位置に配置された量子井戸層１１のｐ型窒化物半導体層４側に第１の障壁層５２ａが設けられている。また、実施の形態４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を構成する量子井戸層のうち、ｐ型窒化物半導体層４に最も近い位置に配置された量子井戸層１１のｐ型窒化物半導体層４側に第１の障壁層５２ａが設けられている。そして、ｎ型窒化物半導体層２に最も近い位置に配置された量子井戸層１１およびｐ型窒化物半導体層４に最も近い位置に配置された量子井戸層１１以外の量子井戸層１１は、第２の障壁層５２ｂと接して形成されている。

したがって、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ＡｌＧａＮ層１２ａとＧａＮ層１２ｂとの２層構造からなる第２の障壁層５２ｂが、活性層３の厚さ方向におけるｎ型窒化物半導体層２側の端部およびｐ型窒化物半導体層４側の端部には設けられておらず、活性層３の内部に設けられている。そのため、上述した活性層３における電子と正孔との拡散距離の差異を小さくする効果を活性層３の内部で発現させて、活性層３の厚さ方向の中央部に電子および正孔を集めることができる。

これにより、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子においても、ｐ型窒化物半導体層４への電子のオーバーフローを抑えることができるだけでなく、多重量子井戸構造を有する活性層３の厚さ方向にキャリアを均一に分配して活性層３のｐ型窒化物半導体層４側にキャリアが局在するのを抑えることができることから、droop現象による発光効率の低下を抑制することができる。

なお、第１の障壁層５２ａを構成するＧａＮ層としては、第２の障壁層５２ｂの一部を構成するＧａＮ層１２ｂと同様のものを用いることができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、その説明については省略する。

以下、図９〜図１６の模式的断面図を参照して、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９に示すように、サファイア基板２１を用意し、ＭＯＣＶＤ装置内にサファイア基板２１を設置する。そして、ＭＯＣＶＤ装置内に設置されたサファイア基板２１を水素雰囲気下で１０００℃に加熱することによって、サファイア基板２１の表面のサーマルクリーニングを行なう。

次に、図１０に示すように、サファイア基板２１の温度を５００℃に低下させ、ＭＯＣＶＤ装置内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスおよびＮＨ₃（アンモニア）ガスを供給することによって、サファイア基板２１の表面上に低温ＧａＮバッファ層２２を２０ｎｍの厚さに成長させる。

次に、図１０に示すように、サファイア基板２１の温度を１０００℃に上昇させ、ＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＧガスおよびＮＨ₃ガスを供給することによって、低温ＧａＮバッファ層２２の表面上にアンドープＧａＮ層２３を２μｍの厚さに成長させる。

次に、図１１に示すように、サファイア基板２１の温度を１０００℃に維持したまま、ＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＧガス、ＮＨ₃ガスおよびＳｉＨ₄（シラン）ガスを供給することによって、アンドープＧａＮ層２３の表面上に高ドープｎ型ＧａＮ層２４を３μｍの厚さに成長させる。ここで、ＳｉＨ₄ガスは、高ドープｎ型ＧａＮ層２４中のＳｉ濃度が７×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにＭＯＣＶＤ装置内に供給される。

次に、サファイア基板２１の温度を７００℃に低下させ、図１２に示すように、ＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＧガス、ＮＨ₃ガスおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスを供給することによって、高ドープｎ型ＧａＮ層２４上にＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる量子井戸層６１を２．５ｎｍの厚さに成長させる。そして、ＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＧガス、ＮＨ₃ガスおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを供給することによって、量子井戸層６１上にＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を２ｎｍの厚さに成長させる。その後、ＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＧガスおよびＮＨ₃ガスを供給することによって、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層上にＧａＮ層を６ｎｍの厚さに成長させる。これにより、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層体からなる障壁層６２を量子井戸層６１上に形成する。

このように、高ドープｎ型ＧａＮ層２４上に、量子井戸層６１と障壁層６２とを交互に６周期繰り返して成長させることによって、活性層２５を形成する。

次に、サファイア基板２１の温度を９５０℃まで上昇させ、ＭＯＣＶＤ装置内に、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス、ＮＨ₃ガスおよびＣＰ₂Ｍｇ（ジシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを供給することによって、障壁層６２上にｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を２０ｎｍの厚さに成長させ、その後、ＴＭＧガス、ＮＨ₃ガスおよびＣＰ₂Ｍｇガスを供給することによって、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層上にｐ型ＧａＮ層を１００ｎｍの厚さに成長させる。これにより、図１３に示すように、活性層２５上に、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層とｐ型ＧａＮ層との積層体からなるｐ型窒化物半導体層２６を成長させる。

次に、サファイア基板２１の温度を室温まで低下させた後、ｐ型窒化物半導体層２６まで形成されたサファイア基板２１をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、スパッタリング装置内に設置する。

次に、図１４に示すように、ｐ型窒化物半導体層２６の表面上にスパッタリング法によってＩＴＯからなる透明導電層２７を２００ｎｍの厚さに形成する。

次に、フォトリソグラフィ技術により透明導電層２７の表面の一部にマスクを形成した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）をすることによって、図１５に示すように、透明導電層２７、ｐ型窒化物半導体層２６、活性層２５および高ドープｎ型ＧａＮ層２４のそれぞれの一部を除去して、高ドープｎ型ＧａＮ層２４の表面を露出させる。

その後、図１６に示すように、透明導電層２７および高ドープｎ型ＧａＮ層２４の露出表面上に、それぞれ、Ｔｉ層、Ａｌ層およびＡｕ層をこの順に積層することによって、透明導電層２７上にｐ側パッド電極２８を形成し、高ドープｎ型ＧａＮ層２４の露出表面上にｎ側パッド電極２９を形成する。以上により、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子が完成する。

また、比較として、厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を形成せずに厚さ６ｎｍのＧａＮ層のみを障壁層としたこと以外は実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

上記のようにして作製した実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、比較例１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、上述したように、電子の拡散長に対する正孔の拡散長を相対的に長くすることができる。

そのため、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、ピーク電流位置を大電流側にシフトさせることができることから、大電流密度の電流を活性層に注入した場合における発光効率の低下を抑制することができる。

実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の最上層の障壁層６２を厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層および厚さ４ｎｍのＧａＮ層の２層構造とし、最上層の障壁層６２以外の障壁層６２を高ドープｎ型ＧａＮ層２４側から、厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、厚さ４ｎｍのＧａＮ層、および厚さ２ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層の３層構造に変更したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

また、比較として、厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層および厚さ２ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を形成せずに厚さ６ｎｍのＧａＮ層のみを障壁層としたこと以外は実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして、比較例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

上記のようにして作製した実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、比較例２の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、上述したように、電子の拡散長に対する正孔の拡散長を相対的に長くすることができる。

そのため、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ピーク電流位置を大電流側にシフトさせることができることから、大電流密度の電流を活性層に注入した場合における発光効率の低下を抑制することができる。

実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の障壁層６２の厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層にＣＰ₂Ｍｇガスを用いてＭｇを５×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度にドーピングすること以外は実施例１と同様にして、実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

また、比較として、厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を形成せずに厚さ６ｎｍのＧａＮ層のみを障壁層としたこと以外は実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして比較例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

上記のようにして作製した実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、比較例３の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、上述したように、電子の拡散長に対する正孔の拡散長を相対的に長くすることができる。

そのため、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、ピーク電流位置を大電流側にシフトさせることができることから、大電流密度の電流を活性層に注入した場合における発光効率の低下を抑制することができる。

実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の障壁層６２の厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層にＩｎを加え、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のＩｎ原子の含有量を０．５原子％とすること以外は実施例１と同様にして、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

また、比較として、厚さ２ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を形成せずに厚さ６ｎｍのＧａＮ層のみを障壁層としたこと以外は実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして比較例４の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

上記のようにして作製した実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、比較例４の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、上述したように、電子の拡散長に対する正孔の拡散長を相対的に長くすることができる。

そのため、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ピーク電流位置を大電流側にシフトさせることができることから、大電流密度の電流を活性層に注入した場合における発光効率の低下を抑制することができる。

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。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子は、照明などに使用される大電流駆動の発光ダイオード素子に利用することができる。

１ 基板、２ ｎ型窒化物半導体層、３ 活性層、４ ｐ型窒化物半導体層、５ 透明導電層、６ ｐ側電極、７ ｎ側電極、１１ 量子井戸層、１２ 障壁層、１２ａ ＡｌＧａＮ層、１２ｂ ＧａＮ層、１２ｃ ＡｌＧａＮ層、１２ｄ ＧａＮ層、１２ｅ ＩｎＧａＮ層、１２ｆ ＡｌＧａＮ層、２１ サファイア基板、２２ 低温ＧａＮバッファ層、２３ アンドープＧａＮ層、２４ 高ドープｎ型ＧａＮ層、２５ 活性層、２６ ｐ型窒化物半導体層、２７ 透明導電層、２８ ｐ側パッド電極、２９ ｎ側パッド電極、３２ 障壁層、４２ 障壁層、５２ａ 第１の障壁層、５２ｂ 第２の障壁層、６１ 量子井戸層、６２ 障壁層。

Claims (6)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられた活性層とを備え、
   前記活性層は、量子井戸層と、前記ｐ型窒化物半導体層に接する障壁層とを含む多重量子井戸構造を有し、
   前記障壁層は、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層との２層構造からなり、
   前記障壁層の前記ＡｌＧａＮ層が、前記量子井戸層の前記ｐ型窒化物半導体層側に接しており、
   前記ＡｌＧａＮ層が、ＭｇおよびＩｎの少なくとも一方を含み、
   前記ＡｌＧａＮ層のＩｎ原子の含有量が、０．０１原子％以上５原子％以下である、窒化物半導体発光ダイオード素子。
2. 前記ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
3. 前記ＡｌＧａＮ層の厚さが、１ｎｍ以上４ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
4. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられた活性層とを備え、
   前記活性層は、量子井戸層と、ＧａＮ層の単層からなる第１の障壁層と、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との２層構造からなる第２の障壁層とを含む多重量子井戸構造を有し、
   前記量子井戸層は、前記量子井戸層のうち前記ｎ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第１の量子井戸層と、前記量子井戸層のうち前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に配置された第２の量子井戸層とを含み、
   前記第１の量子井戸層の前記ｐ型窒化物半導体層側および前記第２の量子井戸層の前記ｐ型窒化物半導体層側にそれぞれ前記第１の障壁層が配置されており、前記第１の量子井戸層および前記第２の量子井戸層以外の前記量子井戸層は前記第２の障壁層と接して形成されている、窒化物半導体発光ダイオード素子。
5. 前記多重量子井戸構造の周期数が６以上２０以下である、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
6. 前記ｎ型窒化物半導体層、前記ｐ型窒化物半導体層および前記活性層は、それぞれ、ｃ面を主面とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。

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