JP5889981B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

窒化物半導体を応用して、例えば、紫外、青色及び緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、並びに、青紫色、青色及び緑色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が開発されている。

半導体発光素子の高効率化のためには、半導体層の結晶性を高め、非発光再結合中心を減らし、内部量子効率を高めることが重要である。また、半導体層におけるｐ形不純物の活性化率は低い。このため、正孔の密度が低くなり易い。正孔の注入効率を向上することが求められている。また、半導体発光素子において動作電圧の低減が求められている。

特許第３３１４６６６号公報

本発明の実施形態は、高効率で低動作電圧の半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光部と、ｐ側電極と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光部は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられる。前記ｐ側電極は、前記ｐ形半導体層に設けられる。前記ｐ形半導体層は、第１ｐ形層と、第２ｐ形層と、第３ｐ形層と、第４ｐ形層と、を含む。前記第１ｐ形層は、第１濃度でｐ形不純物を含み、前記ｐ側電極側に設けられる。前記第２ｐ形層は、Ａｌを含み、前記第１濃度よりも低い第２濃度でｐ形不純物を含み前記発光部側に設けられる。前記第３ｐ形層は、前記第１ｐ形層と前記第２ｐ形層との間に設けられ、前記第２濃度よりも低い第３濃度でｐ形不純物を含む。前記第４ｐ形層は、前記第２ｐ形層と前記第３ｐ形層との間に設けられる。前記第４ｐ形層におけるｐ形不純物の濃度は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って、前記第２濃度から前記第３濃度に漸減する。前記第３ｐ形層の厚さは、１０ナノメートル以上８０ナノメートル以下である。前記第２濃度は、２．５×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 未満である。前記第３濃度は、前記第２濃度の０．０５倍以上０．８倍以下である。前記第３濃度は、前記第３濃度の変動が前記第３濃度の平均のプラスマイナス２０％以内であるように、前記第３ｐ形層におけるｐ形不純物濃度は一定である。

実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。 実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 実施形態に係る半導体発光素子の構成を示すグラフ図である。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は、参考例の半導体発光素子を示す模式図である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、参考例の半導体発光素子を示す模式図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、参考例の半導体発光素子を示す模式図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（実施の形態）
図１は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図２は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。 図４は、実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。 まず、図２を参照しつつ、実施形態に係る半導体発光素子の構成の概要について説明する。

図２に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層２０と、ｐ形半導体層５０と、発光部４０と、ｐ側電極８０と、を備える。
発光部４０は、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層５０との間に設けられる。発光部４０は、複数の障壁層と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。発光部４０の構成の例については、後述する。ｐ側電極８０は、ｐ形半導体層５０に接する。

ここで、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向かう方向を＋Ｚ方向（第１方向）とする。

ｐ形半導体層５０は、第１ｐ形層５１と、第２ｐ形層５２と、第３ｐ形層５３と、第４ｐ形層５４と、を含む。

第１ｐ形層５１は、ｐ側電極８０に接する。第２ｐ形層５２は、第１ｐ形層５１と発光部４０との間において発光部４０に接する。第３ｐ形層５３は、第１ｐ形層５１と第２ｐ形層５２との間に設けられる。第４ｐ形層５４は、第２ｐ形層５２と第３ｐ形層５３との間に設けられる。

第２ｐ形層５２は、Ａｌを含む。第２ｐ形層５２には、例えばＡｌＧａＮ層が用いられる。第２ｐ形層５２は、例えば、電子オーバーフロー抑制層（電子オーバーフロー防止層）として機能することができる。第１ｐ形層５１は、ｐ側電極８０とのコンタクト層として機能する。第１ｐ形層５１、第３ｐ形層５３及び第４ｐ形層５４には、例えばＧａＮ層が用いられる。

第１ｐ形層５１、第２ｐ形層５２、第３ｐ形層５３及び第４ｐ形層５４は、ｐ形不純物を含む。ｐ形不純物には、例えばＭｇ（マグネシウム）が用いられる。実施形態は、これに限らず、ｐ形不純物として、他の元素を用いても良い。すなわち、ｐ形不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかを用いることができる。

ｎ形半導体層２０は、例えば、ｎ形ガイド層２２と、ｎ形コンタクト層２１と、を含むことができる。ｎ形ガイド層２２は、ｎ形コンタクト層２１と発光部４０との間に設けられる。ｎ形ガイド層２２には、例えばＧａＮ層が用いられる。ｎ形コンタクト層２１には、ｎ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物として、例えばＳｉ（シリコン）が用いられる。実施形態は、これに限らず、ｎ形不純物として、他の元素を用いても良い。すなわち、ｎ形不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。

なお、例えば、ｎ形半導体層２０と発光部４０との間に多層積層体（図示せず）をさらに設けても良い。多層積層体は、＋Ｚ方向に沿って交互に積層された複数の厚膜層と複数の薄膜層とを含む。薄膜層は、厚膜層の厚さよりも薄い厚さを有する。薄膜層は、厚膜層の組成とは異なる組成を有する。多層積層体は、例えば超格子構造を有する。多層積層体は必要に応じて設けられ、場合によっては省略できる。

このように、半導体発光素子１１０においては、ｎ形半導体層２０、発光部４０及びｐ形半導体層５０を含む積層構造体１０ｓが設けられている。この例では、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａの側の一部が選択的に除去されている。これにより、第１主面１０ａの側にｎ形半導体層２０（具体的にはｎ形コンタクト層２１）の一部が露出している。この露出している部分にｎ側電極７０が設けられている。ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０に接する。実施形態はこれに限らず、ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０の第２主面１０ｂの側に設けられても良い。第２主面１０ｂは、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａとは反対側の面である。ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜が用いられる。Ｔｉ膜の厚さは、例えば約０．０５μｍ（マイクロメートル）である。Ｐｔ膜の厚さは、例えば約０．０５μｍである。Ａｕ膜の厚さは、例えば約１．０μｍである。

ｐ側電極８０には、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などが用いられる。すなわち、ｐ側電極８０は、金属酸化物を含み、発光部４０から放出される光に対して透光性を有することができる。
また、ｐ側電極８０には、ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）などの複合膜を用いることができる。

半導体発光素子１１０は、さらに、基板１０と、バッファ層１１と、を備えている。基板１０及びバッファ層１１は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。

基板１０には、例えばサファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡsなどが用いられる。基板１０の上にバッファ層１１が形成される。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。バッファ層１１の上に、ｎ形半導体層２０、発光部４０及びｐ形半導体層５０が順次形成される。バッファ層１１の上に積層構造体１０ｓを形成した後に、基板１０を除去しても良い。

図３は、発光部４０の構成の例を示している。
図３に表したように、発光部４０は、複数の障壁層ＢＬと、複数の障壁層ＢＬの間に設けられた井戸層ＷＬと、を含む。

この例では、井戸層ＷＬは４つである。ただし、実施形態はこれに限らない。井戸層ＷＬの数は２以上であり、任意である。この例では、井戸層ＷＬが複数設けられている。すなわち、本具体例での発光部４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。

複数の井戸層ＷＬは、第１井戸層ＷＬ１〜第ｎ井戸層ＷＬｎを含む。ここで、「ｎ」は２以上の整数である。例えば、第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ井戸層ＷＬｉとｐ形半導体層５０との間に設けられる。ここで、「ｉ」は１以上の整数である。

複数の障壁層ＢＬは、第１障壁層ＢＬ１〜第ｎ障壁層ＢＬｎを含む。例えば、第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉとｐ形半導体層５０との間に設けられる。

第ｉ井戸層ＷＬｉは、第ｉ障壁層ＢＬｉと第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）との間に設けられるものとする。さらに、複数の障壁層ＢＬは、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）を有している。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、例えばｐ側障壁層ＢＬＰである。

図４は、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１における発光部４０の構成を例示している。半導体発光素子１１１における発光部４０以外の構成は、図２に例示した半導体発光素子１１０の構成と同様なので説明を省略する。

図４に表したように、半導体発光素子１１１においては、発光部４０は、２つの障壁層ＢＬと１つの井戸層ＷＬとを含む。このように、半導体発光素子１１１における発光部４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。
このように、実施形態においては、ＭＱＷ構造またはＳＱＷ構造が採用される。

以下では、ＭＱＷ構造を有する半導体発光素子１１０に関して説明する。ただし、以下の説明は、ＳＱＷ構造を有する半導体発光素子１１１にも適用される。

ｎ形半導体層２０、ｐ形半導体層５０及び発光部４０には、窒化物半導体が用いられる。すなわち、ｎ形半導体層２０、ｐ形半導体層５０及び発光部４０は、窒化物半導体を含む。

井戸層ＷＬはＩｎＧａＮを含み、障壁層ＢＬはＧａＮを含むことができる。障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーは、井戸層ＷＬのバンドギャップエネルギーよりも大きい。

障壁層ＢＬにはＩｎがドープされなくても良い。すなわち、障壁層ＢＬはＩｎを実質的に含まない。井戸層ＷＬのIII族元素中におけるＩｎの組成比は、障壁層ＢＬのIII族元素中におけるＩｎの組成比よりも高い。すなわち、障壁層ＢＬがＩｎを含む場合においても、障壁層ＢＬのＩｎの組成比は、井戸層ＷＬのＩｎの組成比よりも低い。

井戸層ＷＬのIII族元素中におけるＩｎの組成比は、例えば、０．０５以上０．３以下である。

また、発光部４０から放出される光のピーク波長は、３８０ナノメートル（ｎｍ）以上５５０ｎｍ以下である。

図１は、ｐ形半導体層５０におけるｐ形不純物濃度を例示するグラフ図である。
図１において横軸は、＋Ｚ方向に沿った位置Ｐｚである。縦軸は、ｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）である。縦軸は、例えばｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）の対数である。

図１に表したように、第１ｐ形層５１は、第１濃度Ｃ１でｐ形不純物を含む。
第２ｐ形層５２は、第１濃度Ｃ１よりも低い第２濃度Ｃ２でｐ形不純物を含む。
第３ｐ形層５３は、第２濃度Ｃ２よりも低い第３濃度Ｃ３でｐ形不純物を含む。
第４ｐ形層５４におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向（ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向かう方向）に沿って、第２濃度Ｃ２から第３濃度Ｃ３に漸減する。

すなわち、ｐ形半導体層５０におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って、第２ｐ形層５２の第２濃度Ｃ２から、第４ｐ形層５４において漸減し、第３ｐ形層５３において最も低い第３濃度Ｃ３となり、第１ｐ形層５１で最も高い第１濃度Ｃ１になる。
これにより、高効率で低動作電圧の半導体発光素子が提供される。

なお、第４ｐ形層５４におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って直線的に変化することができる。また、第４ｐ形層５４におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）は、曲線的に変化しても良い。第４ｐ形層５４におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って、複数の段階で段階的に変化しても良い。

上記において、ｐ形不純物は、例えばＭｇである。すなわち、第１濃度Ｃ１は、第１ｐ形層５１におけるＭｇの濃度である。第２濃度Ｃ２は、第２ｐ形層５２におけるＭｇの濃度である。第３濃度Ｃ３は、第３ｐ形層５３におけるＭｇの濃度である。第４ｐ形層５４におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）は、第４ｐ形層５４におけるＭｇ濃度である。

すなわち、例えば、第１ｐ形層５１は、第１濃度Ｃ１でＭｇを含む。第２ｐ形層５２は、第２濃度Ｃ２でＭｇを含む。第３ｐ形層５３は、第３濃度Ｃ３でＭｇを含む。第４ｐ形層５４におけるＭｇ濃度は、＋Ｚ方向に沿って、第２濃度Ｃ２から第３濃度Ｃ３に漸減する。

第１濃度Ｃ１は、例えば、２×１０^２０ｃｍ^−３以上である。第２濃度Ｃ２は、例えば、２．５×１０^１９ｃｍ^−３以上２×１０^２０ｃｍ^−３未満である。第３濃度Ｃ３は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上２．５×１０^１９ｃｍ^−３未満である。
例えば、第３濃度Ｃ３は、第２濃度Ｃ２の０．０５倍以上、０．８倍以下である。

上記において、第３ｐ形層５３は、ｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）が実質的に一定の層である。第３ｐ形層５３におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）の変動は、例えば第３濃度Ｃ３の平均値のプラスマイナス２０％以内である。

なお、ｐ形半導体層５０の各層に含まれるｐ形不純物の濃度は、例えば、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）法などにより測定することができる。

以下、半導体発光素子１１０ａについて説明する。半導体発光素子１１０ａは、半導体発光素子１１０の具体例の１つである。半導体発光素子１１０ａは、図２に例示した構成を有する。半導体発光素子１１０ａは、以下のようにして作製された。

まず、サファイアの基板１０上に、バッファ層１１を形成した。バッファ層１１の上に、ｎ形コンタクト層２１となるｎ形ＧａＮ層を形成した。ｎ形コンタクト層２１の厚さは、約４μｍである。ｎ形コンタクト層２１におけるｎ形不純物（本具体例ではＳｉ）の濃度は、約２×１０^１８ｃｍ^−３である。

ｎ形コンタクト層２１の上に、ｎ形ガイド層２２となるＧａＮ層を形成した。ｎ形ガイド層２２の厚さは、約０．１μｍである。ｎ形ガイド層２２におけるｎ形不純物の濃度は、約１×１０^１８ｃｍ^−３である。

ｎ形コンタクト層２１の成長温度及びｎ形ガイド層２２の成長温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。

ｎ形ガイド層２２として、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いても良い。このときのｎ形ガイド層２２の厚さは、例えば約０．１μｍである。ｎ形ガイド層２２としてＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いる場合においては、ｎ形ガイド層２２の成長温度は、７００℃以上８００℃以下である。

ｎ形ガイド層２２の上に、発光部４０を形成した。すなわち、発光部４０の障壁層ＢＬとなるＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層と、井戸層ＷＬとなるＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層と、を交互に形成した。障壁層ＢＬの厚さは、約５ｎｍである。井戸層ＷＬの厚さは、約２．５ｎｍである。なお井戸層ＷＬは、アンドープである。本具体例では、井戸層ＷＬの数は８であり、障壁層ＢＬの数は９である。障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの成長温度は７００℃以上８００℃以下である。なお、障壁層ＢＬは、アンドープである。障壁層ＢＬに、例えばｎ型不純物を約１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープしても良い。

発光部４０の上に、第２ｐ形層５２となるＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ層を形成した。第２ｐ形層５２の厚さ（第２厚ｔ５２）は、約５ｎｍである。第２ｐ形層５２におけるＭｇの濃度は、約１×１０^２０ｃｍ^−３である。

第２ｐ形層５２の上に、第４ｐ形層５４となるＧａＮ層を形成した。第４ｐ形層５４の厚さ（第４厚ｔ５４）は、約４０ｎｍである。第４ｐ形層５４の形成において、第４ｐ形層５４におけるＭｇ濃度を、１×１０^２０ｃｍ^−３から２×１０^１９ｃｍ^−３に漸減させた。第４ｐ形層５４の成長温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。

第４ｐ形層５４の上に、第３ｐ形層５３となるＧａＮ層を形成した。第３ｐ形層５３の厚さ（第３厚ｔ５３）は、約４０ｎｍである。第３ｐ形層５３におけるＭｇ濃度は、約２×１０^１９ｃｍ^−３である。第３ｐ形層５３の成長温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。

第３ｐ形層５３の上に、第１ｐ形層５１となるＧａＮ層を形成した。第１ｐ形層５１の厚さ（第１厚ｔ５１）は、約５ｎｍである。第１ｐ形層５１におけるＭｇ濃度は、約１×１０^２１ｃｍ^−３である。

上記により積層構造体１０ｓが形成される。
第１ｐ形層５１の上に、ｐ側電極８０となるＩＴＯ膜を形成する。さらに、ｐ側電極８０の上にパッド電極（図示しない）を形成する。ｐ側電極８０となるＩＴＯ膜の厚さは、約０．２μｍである。パッド電極には、厚さが約１．０μｍのＡｕ膜が用いられる。

積層構造体１０ｓの一部にドライエッチングを施し、ｎ形コンタクト層２１の一部を露出させる。露出されたｎ形コンタクト層２１の上にｎ側電極７０となる、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜を形成する。
これにより、半導体発光素子１１０ａが形成される。半導体発光素子１１０ａの発光部４０から放出される光のピーク波長は４５０ｎｍである。すなわち、発光は、青色である。

図５は、実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、半導体発光素子１１０ａのｐ形半導体層５０のＳＩＭＳ法による元素分析結果を示している。同図の横軸は、＋Ｚ方向における位置Ｐｚである。左側の縦軸は、Ｍｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）である。右側の縦軸は、Ａｌの二次イオン強度Ｉ（Ａｌ）である。実線は、Ｍｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）を示す。破線は、Ａｌの二次イオン強度Ｉ（Ａｌ）を示す。

図５に表したように、Ａｌの二次イオン強度Ｉ（Ａｌ）は、第２ｐ形層５２において鋭いピークを示している。このように、第２ｐ形層５２は、Ａｌを含む。

さらに、図５に表したように、第１ｐ形層５１においては、Ｍｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）（すなわち、第１濃度Ｃ１）は、約１×１０^２１ｃｍ^−３である。第３ｐ形層５３におけるＭｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）（すなわち、第３濃度Ｃ３）は、約２×１０^１９ｃｍ^−３で実質的に一定である。第４ｐ形層５４におけるＭｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）は、−Ｚ方向に沿って、２×１０^１９ｃｍ^−３から１×１０^２０ｃｍ^−３に上昇している。すなわち、第４ｐ形層５４におけるＭｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）は＋Ｚ方向に沿って、１×１０^２０ｃｍ^−３から２×１０^１９ｃｍ^−３に漸減している。第２ｐ形層５２におけるＭｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）（すなわち、第２濃度Ｃ２）は、約１×１０^２０ｃｍ^−３である。

このように、半導体発光素子１１０ａは、図１に例示したｐ形不純物濃度プロファイル（Ｍｇドーピングプロファイル）を有している。

すなわち、Ｍｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）は、＋Ｚ方向に沿って、第２ｐ形層５２の第２濃度Ｃ２から、第４ｐ形層５４において漸減し、第３ｐ形層５３において最も低い第３濃度Ｃ３となり、第１ｐ形層５１で最も高い第１濃度Ｃ１になる。

実施形態に係る半導体発光素子１１０（１１０ａ及び１１１、以下同じ）においては、第２ｐ形層５２の不純物濃度（第２濃度Ｃ２）は、中程度の値に設定される。第２濃度Ｃ２は、例えば、２．５×１０^１９ｃｍ^−３以上２×１０^２０ｃｍ^−３未満に設定される。第２濃度Ｃ２が２．５×１０^１９ｃｍ^−３よりも低い場合は、発光部４０への正孔の注入が少なくなる。このため、発光効率が低下する。第２濃度Ｃ２が、２×１０^２０ｃｍ^−３以上の場合は、結晶に欠陥が発生し易い。このため、発光効率が低下する。第２濃度Ｃ２を中程度で適切な範囲である２．５×１０^１９ｃｍ^−３以上２×１０^２０ｃｍ^−３未満に設定することで、高い発光効率が得られる。

一方、ｐ側のコンタクト層となる第１ｐ形層５１における不純物濃度（第１濃度Ｃ１）は、第２濃度Ｃ２よりも高く設定される。第１濃度Ｃ１は、例えば、２×１０^２０ｃｍ^−３以上である。これにより、ｐ形半導体層５０とｐ側電極８０とのコンタクト抵抗を十分に下げることができる。第１濃度Ｃ１が２×１０^２０ｃｍ^−３よりも低いと、コンタクト抵抗が高くなり、動作電圧が上昇する。

このように、第１ｐ形層５１における第１濃度Ｃ１は、非常に高い値に設定されている。このため、第１ｐ形層５１の厚さがある程度以上になると結晶品質が低下し易くなる。第１ｐ形層５１の厚さ（第１厚ｔ５１）は、例えば、１０ｎｍ未満に設定される。これにより、高い結晶品質が維持できる。なお、第１厚ｔ５１が１ｎｍよりも薄いと、コンタクト特性が悪化し易い。このため、第１厚ｔ５１は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満に設定される。

このとき、不純物濃度が高い第１ｐ形層５１を、不純物濃度が中程度の第２ｐ形層５２と接して形成すると、不純物濃度が高い領域が一定以上の厚さになるので、結晶に欠陥が発生し易くなる。このため、実施形態においては、第１ｐ形層５１と第２ｐ形層５２との間に、不純物濃度が低い中間層を設ける。この中間層が、第３ｐ形層５３及び第４ｐ形層５４に相当する。

図１に例示したように、第１ｐ形層５１と第３ｐ形層５３との間での不純物濃度の変化（第１濃度Ｃ１と第３濃度Ｃ３との間における変化）は、ステップ状である。これにより、不純物濃度が高い領域の厚さが小さくなる。これにより、結晶における欠陥の発生が抑制される。

そして、第３ｐ形層５３と第２ｐ形層５２との間での不純物濃度の変化（第３濃度Ｃ３と第２濃度Ｃ２との間における変化）は、スロープ状である。スロープ状に不純物濃度が変化する部分が、第４ｐ形層５４に相当する。第２濃度Ｃ２は、中程度の濃度であるため、第３濃度Ｃ３と第２濃度Ｃ２との間の不純物濃度の変化がスロープ状であっても、結晶に欠陥は発生し難い。

また、第２ｐ形層５２と第３ｐ形層５３との間の第４ｐ形層５４における不純物濃度をスロープ状に変化させることで、第４ｐ形層５４における抵抗（直列抵抗）を下げることができる。これにより動作電圧が低下する。

なお、第３濃度Ｃ３と第２濃度Ｃ２との間の不純物濃度の変化をステップ状にすることは、製造上難しい。この観点でも、実施形態においては、第３ｐ形層５３と第２ｐ形層５２との間に、不純物濃度が傾斜した層（第４ｐ形層５４）が設けられる。これにより、製造し易い半導体発光素子が得られる。

このように、実施形態によれば、正孔の注入効率が向上する。これにより、発光効率が高くなる。そして、ｐ形半導体層５０における抵抗（直列抵抗）を下げ、動作電圧を低減できる。さらに、製造し易い。
実施形態によれば、高効率で低動作電圧の半導体発光素子が提供される。

図６（ａ）〜図６（ｃ）は、参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、参考例の半導体発光素子のｐ形半導体層５０におけるｐ形不純物濃度Ｃ（ｐ）（例えばＭｇ濃度Ｃ（Ｍｇ））を示している。

図６（ａ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいても、第１〜第４ｐ形層５１〜５４が設けられている、しかし、第１濃度Ｃ１が第２濃度Ｃ２と同等である。このような第１参考例において、第１濃度Ｃ１及び第２濃度Ｃ２が、２×１０^２０ｃｍ^−３以上の高い値に設定されると、第２濃度Ｃ２が高過ぎるため、結晶品質が低下し、発光効率が低下する。また、第１濃度Ｃ１及び第２濃度Ｃ２が、２．５×１０^１９ｃｍ^−３以上２×１０^２０ｃｍ^−３未満の中程度の値に設定されると、コンタクト抵抗が上昇する。

図６（ｂ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、第１ｐ形層５１と第４ｐ形層５４との間に、傾斜層５５が設けられている。傾斜層５５における不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って第３濃度Ｃ３から第１濃度Ｃ１に漸増している。そして、第１濃度Ｃ１は第２濃度Ｃ２と同等である。この場合も、第１濃度Ｃ１及び第２濃度Ｃ２が高いと結晶品質が低下する。第１濃度Ｃ１及び第２濃度Ｃ２が中程度の値に設定されるとコンタクト抵抗が上昇する。

図６（ｃ）に表したように、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、第１ｐ形層５１と第４ｐ形層５４との間に、傾斜層５５が設けられている。傾斜層５５における不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って第３濃度Ｃ３から第１濃度Ｃ１に漸増している。そして、第１濃度Ｃ１は第２濃度Ｃ２よりも高い。第１濃度Ｃ１が高いため、コンタクト抵抗は低くなると考えられる。第２濃度Ｃ２が中程度の値に設定されるので、正孔の注入効率が高いと考えられる。しかしながら、第１ｐ形層５１と第４ｐ形層５４との間の傾斜層５５において、不純物濃度がスロープ状に変化する。このため、傾斜層５５においては、ｐ形不純物濃度が高い領域が一定の厚さを超える。このため、結晶に欠陥が発生し易い。このため、発光効率が低い。

図７（ａ）に表したように、第４参考例の半導体発光素子１１９ｄにおいては、第１ｐ形層５１と第２ｐ形層５２との間に、傾斜層５５が設けられている。そして、第４ｐ形層５４が設けられていない。傾斜層５５における不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って第３濃度Ｃ３から第１濃度Ｃ１に漸増している。そして、第１濃度Ｃ１は第２濃度Ｃ２よりも高い。この場合も、コンタクト抵抗は低く、正孔の注入効率が高いと考えられる。しかしながら、傾斜層５５において不純物濃度がスロープ状に変化する。このため、傾斜層５５においては、ｐ形不純物濃度が高い領域が一定の厚さを超える。このため、結晶に欠陥が発生し易い。このため、発光効率が低い。

図７（ｂ）に表したように、第５参考例の半導体発光素子１１９ｅにおいては、第１ｐ形層５１と第２ｐ形層５２との間に、傾斜層５６が設けられている。傾斜層５６における不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って第２濃度Ｃ２から第３濃度Ｃ３に漸減している。そして、第１濃度Ｃ１は第２濃度Ｃ２よりも高い。この場合も、コンタクト抵抗は低く、正孔の注入効率が高いと考えられる。しかしながら、傾斜層５６において不純物濃度がスロープ状に変化する。このため、結晶に欠陥が発生し易い。

図７（ｃ）に表したように、第６参考例の半導体発光素子１１９ｆにおいては、第１ｐ形層５１と第２ｐ形層５２との間に、傾斜層５６が設けられている。傾斜層５６における不純物濃度Ｃ（ｐ）は、＋Ｚ方向に沿って第２濃度Ｃ２から第３濃度Ｃ３に漸減している。そして、第１濃度Ｃ１は第２濃度Ｃ２よりも高い。半導体発光素子１１９ｆにおいては、第３濃度Ｃ３が、非常に低く設定されている。この場合も、コンタクト抵抗は低く、正孔の注入効率が高いと考えられる。傾斜層５６において不純物濃度がスロープ状に変化するが、第３濃度Ｃ３が低いため、結晶欠陥の発生が抑制される。しかしながら、第３濃度Ｃ３が低いため、傾斜層５６の平均の不純物濃度は低い。このため傾斜層５６の抵抗（直列抵抗）が高くなる。このため、動作電圧が高い。

図８（ａ）に表したように、第７参考例の半導体発光素子１１９ｇにおいては、第１ｐ形層５１と第２ｐ形層５２との間に、第３ｐ形層５３が設けられているが、第４ｐ形層５４が設けられていない。そして、第１濃度Ｃ１は第２濃度Ｃ２よりも高い。この場合も、コンタクト抵抗は低く、正孔の注入効率が高いと考えられる。しかしながら、第３濃度Ｃ３が高く設定されると、結晶に欠陥が発生し易い。また、第３濃度Ｃ３が低く設定されると抵抗（直列抵抗）が高くなる。また、第２ｐ形層５２と第３ｐ形層５３との間で不純物濃度がステップ状に変化するため、製造条件の制御が難しい。

図８（ｂ）に表したように、第８参考例の半導体発光素子１１９ｈにおいては、第２ｐ形層５２の第２濃度Ｃ２が低い。第２濃度Ｃ２は、第３濃度Ｃ３と同程度である。第４ｐ形層５４は、実質的に設けられない。この例においては、第２ｐ形層５２におけるエネルギーバンドが相対的に低下し、量子閉じ込め効果が低下する。このため、発光効率が低下する。そして、発光部４０への正孔の注入が少なくなる。このため、発光効率が低下する。

このように、第１〜第８参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｈにおいては、高効率と低動作電圧とを同時に得ることが困難である。

これに対し、実施形態に係る半導体発光素子によれば、高効率と低動作電圧とが同時に得られる。さらに、製造し易い。

実施形態に係る半導体発光素子１１０と、参考例の半導体発光素子の特性をシミュレーションした。
以下、実施形態に係る半導体発光素子１１０、第１参考例の半導体発光素子１１９ａ、第５参考例の半導体発光素子１１９ｅ、及び、第８参考例の半導体発光素子１１９ｈの特性のシミュレーション結果について説明する。

このシミュレーションにおいては、以下とした。
半導体発光素子１１０においては、第１濃度Ｃ１（Ｍｇ濃度）は、１×１０^２１ｃｍ^−３とした。第２濃度Ｃ２（Ｍｇ濃度）は、１×１０^２０ｃｍ^−３とした。第３濃度Ｃ３（Ｍｇ濃度）は、２×１０^１９ｃｍ^−３とした。第４ｐ形層５４におけるＭｇ濃度Ｃ（Ｍｇ）は、＋Ｚ方向に沿って、１×１０^２０ｃｍ^−３から２×１０^１９ｃｍ^−３に直線的に低下するとした。第１厚ｔ５１及び第２厚ｔ５２は、５ｎｍとした。第３厚ｔ５３及び第４厚ｔ５４は、４０ｎｍとした。

半導体発光素子１１９ａにおいては、第１濃度Ｃ１＝第２濃度Ｃ２＝１×１０^２０ｃｍ^−３、第３濃度Ｃ３＝２×１０^１９ｃｍ^−３とし、第１厚ｔ５１、第２厚ｔ５２、第３厚ｔ５３及び第４厚ｔ５４は、半導体発光素子１１０と同じとした。

半導体発光素子１１９ｅにおいては、第１濃度Ｃ１＝１×１０^２１ｃｍ^−３、第２濃度Ｃ２＝１×１０^２０ｃｍ^−３、第３濃度Ｃ３＝１×１０^１８ｃｍ^−３とし、第１厚ｔ５１及び第２厚ｔ５２は、半導体発光素子１１０と同じとした。そして、傾斜層５６の厚さは８０ｎｍとした。

半導体発光素子１１９ｈにおいては、第１濃度Ｃ１＝１×１０^２１ｃｍ^−３、第２濃度Ｃ２＝第３濃度Ｃ３＝１×１０^１９ｃｍ^−３とし、第１厚ｔ５１及び第２厚ｔ５２は、半導体発光素子１１０と同じとした。そして、第３厚ｔ５３＝８０ｎｍとした。

図９は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、上記のシミュレーション結果を示している。図９の横軸は、半導体発光素子に流す注入電流Ｉｃである。縦軸は、動作電圧Ｖｆである。

図９から分かるように、実施形態に係る半導体発光素子１１０の動作電圧Ｖｆは、参考例の半導体発光素子１１９ａ、１１９ｅ及び１１９ｈのいずれよりも低い。

実施形態による駆動電圧Ｖｆの低減効果は、特に注入電流Ｉｃが大きい領域において顕著である。

また、実施形態においては、光出力が増大する。
例えば、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、注入電流Ｉｃが２０ミリアンペア（ｍＡ）のときに、動作電圧Ｖｆは２．８８ボルト（Ｖ）であり、このときの光出力は、２８ミリワット（ｍＷ）と見積もられる。

一方、第８参考例の半導体発光素子１１９ｈにおいては、注入電流Ｉｃが２０ｍＡのときに、動作電圧Ｖｆは２．９４Ｖであり、このときの光出力は、２４ｍＷと見積もられる。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、光出力が高く、効率が高い。そして、動作電圧Ｖｆが低い。

実施形態に係る半導体発光素子１１０（１１１を含む）においては、第１ｐ形層５１の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第１厚ｔ５１）は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ未満である。第１厚ｔ５１は、例えば５ｎｍである。第２ｐ形層５２の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第２厚ｔ５２）は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ未満である。第２厚ｔ５２は、例えば５ｎｍである。第３ｐ形層５３の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第３厚ｔ５３）は、例えば１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。第３厚ｔ５３は、例えば４０ｎｍである。第４ｐ形層５４の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第４厚ｔ５４）は、例えば１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。第４厚ｔ５４は、例えば４０ｎｍである。

第３厚ｔ５３は、第４厚ｔ５４と実質的に等しい。第３厚ｔ５３と第４厚ｔ５４との差は、第３厚ｔ５３と第１厚ｔ５１との差よりも小さく、第３厚ｔ５３と第２厚ｔ５２との差よりも小さい。第３厚ｔ５３と第４厚ｔ５４との差は、第４厚ｔ５４と第１厚ｔ５１との差よりも小さく、第４厚ｔ５４と第２厚ｔ５２との差よりも小さい。

このように、第３厚ｔ５３を第４厚ｔ５４と実質的に等しく設定することで、ｐ形不純物濃度のプロファイルを適正に制御することが容易になる。

また、第１厚ｔ５１は、第３厚ｔ５３よりも薄く、第４厚ｔ５４よりも薄い。そして、第２厚ｔ５２は、第３厚ｔ５３よりも薄く、第４厚ｔ５４よりも薄い。第１厚ｔ５１及び第２厚ｔ５２を第３厚ｔ５３及び第４厚ｔ５４よりも小さく設定することで、結晶における欠陥の発生を抑制し易くなる。

第１厚ｔ５１は、第２厚ｔ５２と近い値を有する。第１厚ｔ５１と第２厚ｔ５２との差は、第１厚ｔ５１と第３厚ｔ５３との差よりも小さく、第１厚ｔ５１と第４厚ｔ５４との差よりも小さい。第１厚ｔ５１と第２厚ｔ５２との差は、第２厚ｔ５２と第３厚ｔ５３との差よりも小さく、第２厚ｔ５２と第４厚ｔ５４との差よりも小さい。

実施形態に係る半導体発光素子における各半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法及び分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法などが用いられる。

各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。
Ｇａの原料として、例えば、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）などを用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ_３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料として、例えば、ＳｉＨ_４（モノシラン）などを用いることができる。Ｍｇの原料として、例えば、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）などを用いることができる。

実施形態によれば、高効率で低動作電圧の半導体発光素子が提供される。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれるｎ形半導体層、ｐ形半導体層、発光部、井戸層、障壁層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層構造体、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ形半導体層、 ２１…ｎ形コンタクト層、 ２２…ｎ側ガイド層、 ４０…発光部、 ５０…ｐ形半導体層、 ５１…第１ｐ形層、 ５２…第２ｐ形層、 ５３…第３ｐ形層、 ５４…第４ｐ形層、 ５５、５６…傾斜層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０、１１０ａ、１１１、１１９ａ〜１１９ｈ…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬｉ…第１〜第ｉ障壁層、 ＢＬＰ…ｐ側障壁層、 Ｃ（ｐ）…ｐ形不純物濃度、 Ｃ（Ｍｇ）…Ｍｇ濃度、 Ｃ１〜Ｃ３…第１〜第３濃度、 Ｉ（Ａｌ）…Ａｌの二次イオン強度、 Ｉｃ…注入電流、 Ｐｚ…位置、 Ｖｆ…動作電圧、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｉ…第１〜第ｉ井戸層、 ｔ５１、ｔ５２、ｔ５３、ｔ５４…第１〜第４厚

Claims (7)

1. ｎ形半導体層と、
   ｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光部と、
   前記ｐ形半導体層に設けられたｐ側電極と、
   を備え、
   前記ｐ形半導体層は、
   第１濃度でｐ形不純物を含み、前記ｐ側電極側に設けられた第１ｐ形層と、
   Ａｌを含み前記第１濃度よりも低い第２濃度でｐ形不純物を含み前記発光部側に設けられた第２ｐ形層と、
   前記第１ｐ形層と前記第２ｐ形層との間に設けられ、前記第２濃度よりも低い第３濃度でｐ形不純物を含む第３ｐ形層と、
   前記第２ｐ形層と前記第３ｐ形層との間に設けられ、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿ってｐ形不純物の濃度が前記第２濃度から前記第３濃度に漸減する第４ｐ形層と、
   を含み、
   前記第３ｐ形層の厚さは、１０ナノメートル以上８０ナノメートル以下であり、
   前記第２濃度は、２．５×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^２０ ｃｍ ^−３ 未満であり、
   前記第３濃度は、前記第２濃度の０．０５倍以上０．８倍以下であり、
   前記第３濃度は、前記第３濃度の変動が前記第３濃度の平均のプラスマイナス２０％以内であるように一定であることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第２ｐ側層には、ＡｌＧａＮ層が用いられ、
   前記第１ｐ形層、前記第３ｐ形層及び前記第４ｐ形層には、ＧａＮ層が用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第１ｐ形層の厚さは、前記第３ｐ形層の厚さよりも薄く、前記第４ｐ形層の厚さよりも薄く、
   前記第２ｐ形層の厚さは、前記第３ｐ形層の厚さよりも薄く、前記第４ｐ形層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第３ｐ形層の厚さと前記第４ｐ形層の厚さとの差は、
   前記第３ｐ形層の厚さと前記第１ｐ形層の厚さとの差よりも小さく、
   前記第３ｐ形層の厚さと前記第２ｐ形層の厚さとの差よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記第１濃度は、２×１０^２０ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記第１ｐ形層の厚さは、１ナノメートル以上１０ナノメートル未満であり、
   前記第２ｐ形層の厚さは、１ナノメートル以上１０ナノメートル未満であり、
   前記第３ｐ形層の厚さは、８０ナノメートル以下であり、
   前記第４ｐ形層の厚さは、１０ナノメートル以上８０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 前記第４ｐ形層における前記ｐ形不純物の濃度は、前記第２濃度から前記第３濃度に段階的に漸減し、前記第２ｐ形層側の漸減する割合は、前記第３ｐ形層側の漸減する割合より大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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