(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022120619
(43)【公開日】2022-08-18
(54)【発明の名称】発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/04 20100101AFI20220810BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20220810BHJP
【ＦＩ】
H01L33/04
H01L33/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021017635
(22)【出願日】2021-02-05
(71)【出願人】
【識別番号】000241463
【氏名又は名称】豊田合成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002583
【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】永田 賢吾
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA04
5F241CA05
5F241CA13
5F241CA40
5F241CA49
5F241CA57
5F241CA65
5F241CA74
5F241CA92
(57)【要約】 （修正有）
【課題】トンネル接合を利用した深紫外光を発する発光素子であって、トンネル接合を形成するｎ型層とｐ型層による光の吸収が抑えられた発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型コンタクト層１２と、深紫外光を発する発光層１３と、Ｍｇを含むＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型層１５と、ｐ型層１５にトンネル接合する、ｎ型半導体からなるｎ型コンタクト層１６と、ｎ型コンタクト層１２に接続されたｎ電極１８と、ｎ型コンタクト層１６に接続されたｐ電極１７と、を備え、ｐ型層１５及びｎ型コンタクト層１６のバンドギャップが、発光層１３のバンドギャップより大きく、ｐ型層１５のｎ型コンタクト層１６に接触する部分のＭｇ濃度と、ｎ型コンタクト層１６のｐ型層１５に接触する部分のドナー濃度が高い、発光素子１を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】ｎ型コンタクト層１２と、深紫外光を発する発光層１３と、Ｍｇを含むＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型層１５と、ｐ型層１５にトンネル接合する、ｎ型半導体からなるｎ型コンタクト層１６と、ｎ型コンタクト層１２に接続されたｎ電極１８と、ｎ型コンタクト層１６に接続されたｐ電極１７と、を備え、ｐ型層１５及びｎ型コンタクト層１６のバンドギャップが、発光層１３のバンドギャップより大きく、ｐ型層１５のｎ型コンタクト層１６に接触する部分のＭｇ濃度と、ｎ型コンタクト層１６のｐ型層１５に接触する部分のドナー濃度が高い、発光素子１を提供する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のｎ型コンタクト層と、
前記第１のｎ型コンタクト層の上の、２１０ｎｍ以上、３６５ｎｍ以下の波長を有する光を発する発光層と、
前記発光層の上の、ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型層と、
前記ｐ型層の上の、前記ｐ型層にトンネル接合する、ＡｌＧａＮからなる第２のｎ型コンタクト層と、
前記第１のｎ型コンタクト層に接続されたｎ電極と、
前記第２のｎ型コンタクト層に接続されたｐ電極と、
を備え、
前記ｐ型層及び前記第２のｎ型コンタクト層のバンドギャップが、前記発光層のバンドギャップより大きく、
前記ｐ型層が、前記第２のｎ型コンタクト層に接触するアクセプター高濃度層と、前記アクセプター高濃度層の下の、前記アクセプター高濃度層よりもアクセプター濃度が低いアクセプター低濃度層を有し、
前記第２のｎ型コンタクト層が、前記ｐ型層に接触するドナー高濃度層と、前記ドナー高濃度層の上の、前記ドナー高濃度層よりもドナー濃度が低いドナー低濃度層を有し、
前記ドナー高濃度層のＳｉ濃度が、３．０×１０１９ｃｍ－３ｃｍ－３以上、１．０×１０２１以下であり、
前記ドナー高濃度層のＣ濃度が４×１０１８ｃｍ－３以下であり、
前記ドナー低濃度層のドナー濃度が９．５×１０１８ｃｍ－３以上、４×１０１９ｃｍ－３以下であり、
前記ドナー低濃度層のＣ濃度が、前記ドナー低濃度層の前記ドナー濃度の１０％以下と４×１０１８ｃｍ－３以下の少なくともいずれか一方を満たす、
発光素子。
前記第１のｎ型コンタクト層の上の、２１０ｎｍ以上、３６５ｎｍ以下の波長を有する光を発する発光層と、
前記発光層の上の、ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型層と、
前記ｐ型層の上の、前記ｐ型層にトンネル接合する、ＡｌＧａＮからなる第２のｎ型コンタクト層と、
前記第１のｎ型コンタクト層に接続されたｎ電極と、
前記第２のｎ型コンタクト層に接続されたｐ電極と、
を備え、
前記ｐ型層及び前記第２のｎ型コンタクト層のバンドギャップが、前記発光層のバンドギャップより大きく、
前記ｐ型層が、前記第２のｎ型コンタクト層に接触するアクセプター高濃度層と、前記アクセプター高濃度層の下の、前記アクセプター高濃度層よりもアクセプター濃度が低いアクセプター低濃度層を有し、
前記第２のｎ型コンタクト層が、前記ｐ型層に接触するドナー高濃度層と、前記ドナー高濃度層の上の、前記ドナー高濃度層よりもドナー濃度が低いドナー低濃度層を有し、
前記ドナー高濃度層のＳｉ濃度が、３．０×１０１９ｃｍ－３ｃｍ－３以上、１．０×１０２１以下であり、
前記ドナー高濃度層のＣ濃度が４×１０１８ｃｍ－３以下であり、
前記ドナー低濃度層のドナー濃度が９．５×１０１８ｃｍ－３以上、４×１０１９ｃｍ－３以下であり、
前記ドナー低濃度層のＣ濃度が、前記ドナー低濃度層の前記ドナー濃度の１０％以下と４×１０１８ｃｍ－３以下の少なくともいずれか一方を満たす、
発光素子。
【請求項2】
前記ｎ型層に含まれるドナーがＳｉである、
請求項１に記載の発光素子。
請求項１に記載の発光素子。
【請求項3】
前記ｐ型層に含まれるアクセプターがＭｇである、
請求項１又は２に記載の発光素子。
請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項4】
前記ドナー高濃度層と前記アクセプター高濃度層の合計厚さが５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子。
請求項１～３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項5】
前記ドナー高濃度層の厚さが２．５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であり、
前記アクセプター高濃度層の厚さが３ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、
請求項４に記載の発光素子。
前記アクセプター高濃度層の厚さが３ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、
請求項４に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、トンネル接合を利用した発光素子が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光素子においては、発光層の上のｐ型ＧａＮ層にｎ型ＩｎＧａＮ層をトンネル接合させ、ｎ型ＩｎＧａＮ層をｐ側のコンタクト層としてｐ側電極を接続している。そのため、ｐ側のコンタクト層とｎ側のコンタクト層の両方にｎ型半導体を用いることができ、それによってｎ側の電極とｐ側の電極を同じ材料から形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第３７８６８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、ＧａＮやＩｎＧａＮは、それらのバンドギャップの大きさに起因して、深紫外領域の光を強く吸収する。そのため、特許文献１に記載の発光素子の構成を深紫外発光素子に適用すると、ｐ型ＧａＮ層やｎ型ＩｎＧａＮ層が発光層から発せられる光を強く吸収し、光取出効率が低くなる。
【0005】
本発明の目的は、トンネル接合を利用した深紫外光を発する発光素子であって、トンネル接合を形成するｎ型層とｐ型層による光の吸収が抑えられた発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［５］の発光素子を提供する。
【0007】
［１］第１のｎ型コンタクト層と、前記第１のｎ型コンタクト層の上の、２１０ｎｍ以上、３６５ｎｍ以下の波長を有する光を発する発光層と、前記発光層の上の、ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型層と、前記ｐ型層の上の、前記ｐ型層にトンネル接合する、ＡｌＧａＮからなる第２のｎ型コンタクト層と、前記第１のｎ型コンタクト層に接続されたｎ電極と、前記第２のｎ型コンタクト層に接続されたｐ電極と、を備え、前記ｐ型層及び前記第２のｎ型コンタクト層のバンドギャップが、前記発光層のバンドギャップより大きく、前記ｐ型層が、前記第２のｎ型コンタクト層に接触するアクセプター高濃度層と、前記アクセプター高濃度層の下の、前記アクセプター高濃度層よりもアクセプター濃度が低いアクセプター低濃度層を有し、前記第２のｎ型コンタクト層が、前記ｐ型層に接触するドナー高濃度層と、前記ドナー高濃度層の上の、前記ドナー高濃度層よりもドナー濃度が低いドナー低濃度層を有し、前記ドナー高濃度層のＳｉ濃度が、３．０×１０１９ｃｍ－３ｃｍ－３以上、１．０×１０２１以下であり、前記ドナー高濃度層のＣ濃度が４×１０１８ｃｍ－３以下であり、前記ドナー低濃度層のドナー濃度が９．５×１０１８ｃｍ－３以上、４×１０１９ｃｍ－３以下であり、前記ドナー低濃度層のＣ濃度が、前記ドナー低濃度層の前記ドナー濃度の１０％以下と４×１０１８ｃｍ－３以下の少なくともいずれか一方を満たす、発光素子。
［２］前記ｎ型層に含まれるドナーがＳｉである、上記［１］に記載の発光素子。
［３］前記ｐ型層に含まれるアクセプターがＭｇである、上記［１］又は［２］に記載の発光素子。
［４］前記ドナー高濃度層と前記アクセプター高濃度層の合計厚さが５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の発光素子。
［５］前記ドナー高濃度層の厚さが２．５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であり、前記アクセプター高濃度層の厚さが３ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、上記［４］に記載の発光素子。
［２］前記ｎ型層に含まれるドナーがＳｉである、上記［１］に記載の発光素子。
［３］前記ｐ型層に含まれるアクセプターがＭｇである、上記［１］又は［２］に記載の発光素子。
［４］前記ドナー高濃度層と前記アクセプター高濃度層の合計厚さが５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の発光素子。
［５］前記ドナー高濃度層の厚さが２．５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であり、前記アクセプター高濃度層の厚さが３ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、上記［４］に記載の発光素子。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、トンネル接合を利用した深紫外光を発する発光素子であって、トンネル接合を形成するｎ型層とｐ型層による光の吸収が抑えられた発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図3】図３（ａ）は、ｎ型コンタクト層のドナー高濃度層のＳｉ濃度と、発光素子に３５０ｍＡの電流を流すために要する順方向電圧との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、ｎ型コンタクト層のドナー高濃度層のＳｉ濃度と、発光素子に３５０ｍＡの電流を流すときのドナー高濃度層のみの直列抵抗によって増加する電圧ＶＳＲとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
（発光素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１の垂直断面図である。発光素子１は、フリップチップ実装型の深紫外光を発するトンネルジャンクション発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ここで、深紫外とは、２１０～３６５ｎｍの波長域をいうものとする。
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１の垂直断面図である。発光素子１は、フリップチップ実装型の深紫外光を発するトンネルジャンクション発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ここで、深紫外とは、２１０～３６５ｎｍの波長域をいうものとする。
【0011】
発光素子１は、基板１０と、基板１０上のバッファ層１１と、バッファ層１１上のｎ型コンタクト層１２と、ｎ型コンタクト層１２上の発光層１３と、発光層１３上の電子ブロック層１４と、電子ブロック層１４上のｐ型層１５と、ｐ型層１５上のｐ型層１５とトンネル接合するｎ型コンタクト層１６と、ｎ型コンタクト層１６に接続されたｐ電極１７と、ｎ型コンタクト層１２に接続されたｎ電極１８と、を備える。
【0012】
なお、発光素子１の構成における「上」とは、図１に示されるような向きに発光素子１を置いたときの「上」であり、基板１０からｐ電極１７に向かう方向を意味するものとする。
【0013】
基板１０は、サファイアからなる成長基板である。基板１０の厚さは、例えば、９００μｍである。基板１０の材料として、サファイア以外にも、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯなどを用いることができる。
【0014】
バッファ層１１は、例えば、核層、低温バッファ層、高温バッファ層の３層を順に積層した構造を有する。核層は、低温で成長させたノンドープのＡｌＮからなり、結晶成長の核となる層である。核層の厚さは、例えば、１０ｎｍである。低温バッファ層は、核層よりも高温で成長させたノンドープのＡｌＮからなる層である。低温バッファ層の厚さは、例えば、０．３μｍである。高温バッファ層は、低温バッファ層よりも高温で成長させたノンドープのＡｌＮからなる層である。高温バッファ層の厚さは、例えば、２．７μｍである。このようなバッファ層１１を設けることで、ＡｌＮの貫通転位の密度低減を図っている。
【0015】
ｎ型コンタクト層１２は、Ｓｉをドナーとして含むｎ型のＡｌＧａＩｎＮからなる。ここで、ＡｌＧａＩｎＮとは、ＩＩＩ族元素であるＡｌ、Ｇａ、又はＩｎとＮとの化合物であり、ＡｌＧａＩｎＮにおいては、Ａｌ組成が高いほどバンドギャップが大きく、Ｉｎ組成が高いほどバンドギャップが小さくなる傾向にある。ｎ型コンタクト層１２の厚さは、例えば、５００～２０００ｎｍである。
【0016】
発光層１３は、ＡｌＧａＩｎＮからなり、好ましくは多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。発光層１３の組成（ＭＱＷ構造を有する場合は井戸層の組成）は、深紫外領域（２１０～３６５ｎｍ）内の所望の発光波長に応じて設定され、例えば、発光層１３がＡｌＧａＮからなり、発光波長が２７０～２９０ｎｍである場合には、Ａｌ組成がおよそ４０～５０％に設定される。ここで、上記のＡｌ組成のパーセンテージは、Ｇａの含有量とＡｌの含有量の合計値に対するＡｌの含有量の割合である。
【0017】
例えば、発光層１３は、井戸層が２層のＭＱＷ構造、すなわち、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、第３障壁層の順に積層された構造を有する。第１井戸層及び第２井戸層は、ｎ型のＡｌＧａＮからなる。第１障壁層、第２障壁層、及び第３障壁層は、第１井戸層及び第２井戸層よりもＡｌ組成の高いｎ型のＡｌＧａＮ（Ａｌ組成が１００％のもの、すなわちＡｌＮを含む）からなる。
【0018】
一例としては、第１井戸層及び第２井戸層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ４０％、２．５ｎｍ、９．０×１０１８ｃｍ－３である。また、第１障壁層及び第２障壁層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、それぞれ５５％、１１ｎｍ、９．０×１０１８ｃｍ－３である。また、第３障壁層のＡｌ組成、厚さ、ドーパントとしてのＳｉの濃度は、５５％、５．５ｎｍ、５．０×１０１８ｃｍ－３である。
【0019】
電子ブロック層１４は、ｎ型コンタクト層１６側への電子の拡散を抑制するための層であり、例えば、Ｍｇをアクセプターとして含むｐ型のＡｌＧａＩｎＮからなる。電子ブロック層１４の厚さは、例えば、２５ｎｍである。
【0020】
ｐ型層１５は、Ｍｇをアクセプターとして含むｐ型のＡｌＧａＩｎＮからなる。ｐ型層１５の厚さは、例えば、５０～５００ｎｍである。また、ｐ型層１５は、ｎ型コンタクト層１６に接触する特にＭｇ濃度が高い層（アクセプター高濃度層）１５１と、層１５１の下に設けられた層１５１よりもＭｇ濃度が低い層（アクセプター低濃度層）１５２から構成される。層１５１の厚さは、例えば、３～５０ｎｍである。
【0021】
層１５１のＭｇ濃度は、９．０×１０１９ｃｍ－３以上、２．０×１０２０ｃｍ－３以下である。また、層１５２のＭｇ濃度は、１．０×１０１９ｃｍ－３以上、２．０×１０２０ｃｍ－３以下である。
【0022】
層１５１と層１５２のＭｇ濃度を１．０×１０１９ｃｍ－３以上とするのは、ｐ型層１５の電気抵抗を下げるためである。なお、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ中のＭｇの固溶限界はおよそ２．０×１０１９ｃｍ－３であり、Ｍｇ濃度がおよそ２．０×１０１９ｃｍ－３であるときにｐ型層１５は最も抵抗が低くなる。
【0023】
Ｍｇ濃度が固溶限界である２．０×１０１９ｃｍ－３を超えると、Ｍｇの凝集が生じて、部分的な極性の反転（インヴァージョンドメインの形成）が生じる。そして、Ｍｇ濃度が２．０×１０２０ｃｍ－３を超えると、層１５１と層１５２の極性が完全に＋Ｃ面から－Ｃ面に変わってしまう。このため、層１５１と層１５２のＭｇ濃度は、２．０×１０２０ｃｍ－３以下に設定される。
【0024】
ｎ型コンタクト層１６は、Ｓｉをドナーとして含むｎ型のＡｌＧａＩｎＮからなる。ｎ型コンタクト層１６の厚さは、例えば、５０～２００ｎｍであり、発光層１３から発せられてｎ型コンタクト層１６に直接入射する光とｐ電極１７に反射されてｎ型コンタクト層１６に入射する光との干渉効果によって決定される最適値がある。このため、ｎ型コンタクト層１６の厚さの最適値は、これらの光が干渉によって強め合うように、発光層１３から発せられる光の波長、ｐ電極１７の反射率、発光層１３とｎ型コンタクト層１６の距離、及びｐ電極１７とｎ型コンタクト層１６の距離に応じて決定される。
【0025】
また、発光層１３とｐ電極１７の間の部分の厚さ、すなわち電子ブロック層１４、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６の合計厚さが、発光層１３から発せられる光とｐ電極１７に反射された光が強め合う（定在波を形成する）厚さであることが好ましい。このためには、電子ブロック層１４、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６の合計厚さｄが、ｎｄ＝λ／４（ｎは屈折率、λは光の波長）の条件を満たすように設定され、さらに、ｐ電極１７での反射の際の位相のずれを考慮して、屈折率ｎを消衰係数κを導入した複素屈折率Ｎ＝ｎ＋ｉκで置き換えて計算したり、斜め光の強め合いを考慮して位相を１８０°分足し合わせて計算したりすることにより、発光層１３から発せられる光とｐ電極１７に反射された光がより強く強め合う厚さを算出することができる。なお、電子ブロック層１４、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６の合計厚さｄの制御は、電気抵抗率が最も低いｐ型層１５の層１５２の厚さを調整することにより行うことが好ましい。
【0026】
ｎ型コンタクト層１６は、ｐ型層１５に接触する特にＳｉ濃度が高い層（ドナー高濃度層）１６１と、層１６１の下に設けられた層１６１よりもＳｉ濃度が低い層（ドナー低濃度層）１６２から構成される。層１６１の厚さは、例えば、２～５０ｎｍである。
【0027】
層１６１のＳｉ濃度は、３．０×１０１９ｃｍ－３以上、１．０×１０２１ｃｍ－３以下である。また、層１６２のＳｉ濃度は、９．５×１０１８ｃｍ－３以上、４．０×１０１９ｃｍ－３以下である。
【0028】
層１６２のＳｉ濃度を９．５×１０１８ｃｍ－３以上、４．０×１０１９ｃｍ－３以下とすることにより、ｎ型コンタクト層１６のフェルミ準位と伝導帯が縮退し、ｐ型層１５とのトンネル確率を高めることができる。
【0029】
一方で、層１６２のＳｉ濃度が３．０×１０１９ｃｍ－３を超えると、ｎ型コンタクト層１６の電気抵抗が増加し始める。これは、ＩＩＩ族（ＡｌとＧａ）空孔とＳｉとの複合欠陥が発生することによると考えられる。ＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥の詳細については未だ明らかになっていないが、一説によると、ＡｌＧａＮの成長過程において生じるＩＩＩ族空孔にＳｉが入らずに他の位置に留まった場合に、Ｓｉがドナーとして振る舞う（電子を放出する）ことができず、その状態に応じて１～３個の正孔が放出され、それによって電気抵抗が増加しているとされている。このため、層１６２のＳｉ濃度は３．０×１０１９ｃｍ－３以下であることが好ましい。
【0030】
また、ｎ型コンタクト層１６の電気抵抗の増加を抑えるため、層１６１のＣ濃度が、４．０×１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましい。また、層１６２のＣ濃度は、層１６２のＳｉ濃度の１０％以下と４．０×１０１８ｃｍ－３以下の少なくともいずれか一方を満たすことが好ましい。ｎ型コンタクト層１６中のＣは、例えば、ＭＯＣＶＤで用いられるＩＩＩ族原料に含まれるＣが取り込まれたものである。ｎ型のＡｌＧａＩｎＮ中のＣは、アクセプターとして働き、電子を補償するため、ｎ型コンタクト層１６の電気抵抗を増加させる。ｎ型コンタクト層１６のＣ濃度は、例えば、ｎ型コンタクト層１６の成長圧力の調整により制御することができる。なお、Ｃがドナーとして働くＺｎＯなど、Ｃがアクセプターとして働かない材料においては、Ｃが電子を補償するという問題は生じない。
【0031】
上述のように、ｐ型層１５とｎ型コンタクト層１６はトンネル接合する。順方向バイアスを印加すると、ｐ型層１５とｎ型コンタクト層１６の接合部分の空乏層幅が薄くなり、この薄くなった空乏層を電子が通りぬける（トンネリング）。また、ｎ型コンタクト層１６のｐ型層１５と接触する部分である層１６１には、高濃度のＳｉドーピングによって、多数のＩＩＩ族空孔とＳｉの複合欠陥が形成されている。一方で、ｐ型層１５のｎ型コンタクト層１６と接触する部分である層１５１にも、高濃度のＭｇドーピングによって、空孔のような欠陥が形成されている。電子は、これらの欠陥の準位を介して伝導するため、これらの欠陥によって電子のトンネリング確率が高められる（欠陥によりトンネリングがアシストされている）。
【0032】
ｎ型コンタクト層１６のｐ型層１５に接触する部分である層１６１のＳｉ濃度を３．０×１０１９ｃｍ－３以上、１．０×１０２１以下とすることにより、バイアス印加時のｐ型層１５とｎ型コンタクト層１６の接合部分の空乏層幅をより薄くして、駆動電圧を小さくすることができる。
【0033】
ｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６による、発光層１３から発せられる光の吸収を抑えるためには、ｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６のバンドギャップが発光層１３のバンドギャップ（ＭＱＷ構造を有する場合は井戸層のバンドギャップ）よりも大きいことが好ましい。例えば、ｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６、発光層１３がＡｌＧａＮからなる場合は、ｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が発光層１３のＡｌ組成（ＭＱＷ構造を有する場合は井戸層のＡｌ組成）よりも高いことが好ましく、例えば、５０％以上、７０％以下の範囲内にあることが好ましい。この場合、理想的には、ｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０．５≦ｘ≦０．７）で表される組成を有する。
【0034】
ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が５０％以上であれば、２７０ｎｍ以上の波長を有する光に対して高い透過率を確保することができる。また、ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成が５５％以上であれば、より高い透過率を確保することができ、６０％以上であれば、さらに高い透過率を確保することができる。
【0035】
また、ＡｌＧａＮの電気抵抗は、Ａｌ組成を増加させていったときに、７０％まではほとんど一定であるが、７０％を超えると増加し始める。このため、ｎ型コンタクト層１２、ｐ型層１５、ｎ型コンタクト層１６のＡｌ組成を７０％以下とすることにより、電気抵抗を低く抑えることができる。
【0036】
ｎ型コンタクト層１６表面の一部領域には溝が設けられている。溝はｎ型コンタクト層１６、ｐ型層１５、及び発光層１３を貫通し、ｎ型コンタクト層１２に達しており、この溝により露出したｎ型コンタクト層１２の表面にｎ電極１８が接続されている。
【0037】
発光素子１においては、ｎ電極１８が接続されるｎ型コンタクト層１２と、ｐ電極１７が接続されるｎ型コンタクト層１６が、ともにｎ型のＡｌＧａＮからなる。このため、ｎ電極１８のｎ型コンタクト層１２に接触する部分と、ｐ電極１７のｎ型コンタクト層１６に接触する部分の材料に、同じものを用いることができる。ｐ電極１７とｎ電極１８がそれぞれ単一の材料からなる場合は、ｎ電極１８とｐ電極１７の材料に同じものを用いることができる。
【0038】
このため、ｎ電極１８と同様に、ｐ電極１７にも深紫外光に対する反射率が高いアルミニウムを用いることができる。したがって、ｎ電極１８のｎ型コンタクト層１２に接触する部分と、ｐ電極１７のｎ型コンタクト層１６に接触する部分の材料に、アルミニウムを用いることが好ましい。
【0039】
ｐ電極１７及びｎ電極１８は、例えば、Ｖ／Ａｌ／ＮｉＡｕや、Ｖ／Ａｌ／Ｒｕ／Ａｕからなる。なお、この場合、反射率を大きくするためＶの層はできるだけ薄い方が好ましい。
【0040】
なお、ｐ型のＡｌＧａＮには仕事関数が低いアルミニウムをオーミック接触させることができないため、従来の一般的な発光素子のように、ｐ型のＡｌＧａＮからなるコンタクト層にｐ電極を接続する場合には、ｐ電極の材料にアルミニウムを用いることはできない。
【0041】
なお、ｎ型コンタクト層１６に含まれるドナーとして、Ｓｉの代わりにＯ、Ｇｅなどを用いてもよい。また、ｐ電極１７に含まれるアクセプターの代わりにＺｎなどを用いてもよい。
【0042】
（発光素子の製造方法）
以下に、本発明の実施の形態に係る発光素子１の製造方法の一例について説明する。気相成長法による発光素子１の各層の形成においては、Ｇａ原料ガス、Ａｌ原料ガス、Ｎ原料ガスとしては、例えば、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアを用いる。また、ｎ型ドーパントであるＳｉの原料ガス、ｐ型ドーパントであるＭｇの原料ガスとしては、例えば、それぞれシランガス、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムガスを用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素ガスや窒素ガスを用いる。
以下に、本発明の実施の形態に係る発光素子１の製造方法の一例について説明する。気相成長法による発光素子１の各層の形成においては、Ｇａ原料ガス、Ａｌ原料ガス、Ｎ原料ガスとしては、例えば、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアを用いる。また、ｎ型ドーパントであるＳｉの原料ガス、ｐ型ドーパントであるＭｇの原料ガスとしては、例えば、それぞれシランガス、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムガスを用いる。また、キャリアガスとしては、例えば、水素ガスや窒素ガスを用いる。
【0043】
まず、基板１０を用意し、その上にバッファ層１１を形成する。バッファ層１１の形成においては、まず、スパッタによってＡｌＮからなる核層を形成する。成長温度は、例えば、８８０℃である。次に、核層上に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮからなる低温バッファ層、高温バッファ層を順に形成する。低温バッファ層の成長条件は、例えば、成長温度が１０９０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。また、高温バッファ層の成長条件は、例えば、成長温度が１２７０℃、成長圧力が５０ｍｂａｒである。
【0044】
次に、バッファ層１１上に、ＭＯＶＰＥ法によってＳｉを含むＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層１２を形成する。ｎ型コンタクト層１２の成長条件は、例えば、成長温度が９８０℃、成長圧力が５０～１５０ｍｂａｒである。
【0045】
次に、ｎ型コンタクト層１２上に、ＭＯＶＰＥ法によって発光層１３を形成する。発光層１３の形成は、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、第３障壁層の順に積層して行う。発光層１３の成長条件は、例えば、成長温度が９７５℃、成長圧力が４００ｍｂａｒである。
【0046】
次に、発光層１３上に、ＭＯＣＶＤ法によって電子ブロック層１４を形成する。電子ブロック層１４の成長条件は、例えば、成長温度が９７５℃、成長圧力が４００ｍｂａｒである。
【0047】
次に、電子ブロック層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によってｐ型層１５を形成する。ｐ型層１５の成長条件は、例えば、成長温度が９７５℃、成長圧力が４００ｍｂａｒである。
【0048】
次に、ｐ型層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型コンタクト層１６を形成する。ｎ型コンタクト層１６の成長条件は、例えば、成長温度が９８０℃、成長圧力が５０～１５０ｍｂａｒである。
【0049】
次に、ｎ型コンタクト層１６表面の所定領域をドライエッチングし、ｎ型コンタクト層１２に達する深さの溝を形成する。
【0050】
次に、ｎ型コンタクト層１６上にｐ電極１７、溝の底面に露出するｎ型コンタクト層１２上にｎ電極１８を形成する。ｐ電極１７及びｎ電極１８は、スパッタや蒸着などによって形成する。
【0051】
（実施の形態の効果）
上記の本発明の実施の形態によれば、発光層１３よりもバンドギャップが大きいｐ型層１５とｎ型コンタクト層１６をトンネル接合させ、ｎ型コンタクト層１６をｐ電極１７のコンタクト層として用いることにより、ｐ電極１７の材料に仕事関数の低いアルミニウムなどの深紫外光に対する反射率が高い材料を用いることができる。
上記の本発明の実施の形態によれば、発光層１３よりもバンドギャップが大きいｐ型層１５とｎ型コンタクト層１６をトンネル接合させ、ｎ型コンタクト層１６をｐ電極１７のコンタクト層として用いることにより、ｐ電極１７の材料に仕事関数の低いアルミニウムなどの深紫外光に対する反射率が高い材料を用いることができる。
【0052】
したがって、発光層１３から発せられてｐ電極１７側へ向かう光の多くが、ｎ型コンタクト層１６に吸収されずに透過し、ｐ電極１７によって効率よく反射され、基板１０側から取り出されるため、発光素子１は高い光取出効率を有する。
【実施例0053】
以下、上記の本実施の形態に係る発光素子１の種々の評価結果を示す。以下の表１に、本実施例に係る検証に用いた発光素子１の構成を示す。また、以下の表２に、本実施例に係る検証に比較例として用いた発光素子（発光素子Ａとする）の構成を示す。なお、表２において、発光素子Ａを構成する層には、対応する発光素子１を構成する層の符号を付す。
【0054】
【表1】
【0055】
【表2】
【0056】
図２は、発光素子１におけるｎ型コンタクト層１６のｐ型層１５に接触する部分である層１６１のＳｉ濃度を変化させたときの電流－電圧特性の変化を示すグラフである。また、図２は、比較例として、発光素子Ａの電圧－電流特性を示す。なお、図２に係る３つの発光素子１の層１６２の厚さはいずれも２７５ｎｍであり、層１５１と層１５２のＡｌ組成は６０％である。また、図２に係る発光素子Ａの層１５１と層１５２のＡｌ組成は５０％である。
【0057】
図２中の「６．３×１０１９ｃｍ－３」、「１．３×１０２０ｃｍ－３」、「１．２×１０２１ｃｍ－３」は、それぞれ発光素子１におけるｎ型コンタクト層１６の層１６１のＳｉ濃度を示す。
【0058】
図２によれば、ｎ型コンタクト層１６の層１６１のＳｉ濃度が１．３×１０２０ｃｍ－３であるときの発光素子１の立ち上がり電圧が最も小さくなった。一方で、Ｓｉ濃度が最も高い１．２×１０２１ｃｍ－３であるときの立ち上がり電圧が最も大きくなった。これは、ＩＩＩ族空孔とＳｉとの複合欠陥が発生して、ｎ型コンタクト層１６の電気抵抗が増加したことによると考えられる。
【0059】
図３（ａ）は、ｎ型コンタクト層１６の層１６１のＳｉ濃度と、発光素子１に３５０ｍＡの電流を流すために要する順方向電圧との関係を示すグラフである。なお、図３（ａ）に係る４つの発光素子１のｐ型層１５の層１５１のＭｇ濃度はいずれも１．７×１０２０ｃｍ－３であり、層１６２の厚さはいずれも２０９ｎｍであり、層１５１と層１５２のＡｌ組成は６０％である。
【0060】
図３（ａ）は、層１６１のＳｉ濃度を増加させると、およそ２．０×１０２０ｃｍ－３までは発光素子１の動作電圧が減少することを示している。これは、Ｓｉのドーピングにより欠陥準位が多く形成され、その欠陥準位を利用した伝導によって、トンネリング確率が増加したことによると考えられる。なお、Ｓｉ濃度が２．０×１０２０ｃｍ－３を超えると発光素子１の動作電圧が増加するが、例えば、１．０×１０２１ｃｍ－３以下であれば３５０ｍＡの電流を流すために要する順方向電圧をおよそ１３Ｖ以下に抑えることができる。次の表３に、図３（ａ）のグラフの各プロット点の数値を示す。
【0061】
【表3】
【0062】
図３（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１６の層１６１のＳｉ濃度と、発光素子１に３５０ｍＡの電流を流すときの層１６１のみの直列抵抗によって増加する電圧ＶＳＲとの関係を示すグラフである。なお、図３（ｂ）に係る４つの発光素子１は、図３（ａ）に係る４つの発光素子１と同じものである。
【0063】
図３（ｂ）は、層１６１のＳｉ濃度を増加させると、およそ２．０×１０２０ｃｍ－３を超えた辺りで層１６１の直列抵抗が急激に増加することを示している。これは、多くのＩＩＩ族空孔とＳｉの複合欠陥が形成されたことによると考えられる。次の表４に、図３（ｂ）のグラフの各プロット点の数値を示す。
【0064】
【表4】
【0065】
上記の図３（ａ）、（ｂ）の結果から、層１６１のＳｉ濃度が２．０×１０２０ｃｍ－３以下であることが好ましいと言える。
【0066】
図４は、ｎ型コンタクト層１６の層１６１のＳｉ濃度と、層１６１の厚さ方向の電気抵抗率との関係を示すグラフである。図３（ｂ）の電圧ＶＳＲは、図４に示される電気抵抗率の値に基づいて算出されたものである（層１６１の厚さ×電気抵抗率×印加電流の値が、層１６１での電圧降下の値となる）。
【0067】
図５は、ｐ型層１５の層１５１とｎ型コンタクト層１６の層１６１の合計厚さと、発光素子１に３５０ｍＡの電流を流すために要する順方向電圧との関係を示すグラフである。
【0068】
ここで、図５においてマーカー“＊”でプロットされる４つの発光素子１（試料Iとする）、マーカー“◆”でプロットされる４つの発光素子１（試料IIとする）、及びマーカー“●”でプロットされる３つの発光素子１（試料IIIとする）は、それぞれ表１に示される発光素子１の構成に基づいて細部を調整したものである。試料Iは、層１５１のＭｇ濃度が２．４×１０２０ｃｍ－３、層１６１のＳｉ濃度が１．６×１０２０ｃｍ－３である。試料IIは、層１５１のＭｇ濃度が１．７×１０２０ｃｍ－３、層１６１のＳｉ濃度が１．２×１０２０ｃｍ－３である。試料IIIは、層１５１のＭｇ濃度が２．４×１０２０ｃｍ－３、層１６１のＳｉ濃度が１．２×１０２０ｃｍ－３である。また、試料I～IIIの層１５１と層１５２のＡｌ組成はいずれも６０％である。試料I～IIIの構成の表１に示される発光素子１の構成との相違点を次の表５に示す。
【0069】
【表5】
【0070】
図５は、ｐ型層１５の層１５１とｎ型コンタクト層１６の層１６１の合計厚さがおよそ１０ｎｍであるときに動作電圧が最小となり、この合計厚さを５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることにより、発光素子１に３５０ｍＡの電流を流すために要する順方向電圧をおよそ１２Ｖ以下に抑えられ、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることにより、発光素子１に３５０ｍＡの電流を流すために要する順方向電圧をおよそ１１Ｖ以下に抑えられることを示している。次の表６に、図５のグラフの各プロット点の数値を示す。
【0071】
【表6】
【0072】
上記の図５の結果から、ｐ型層１５の層１５１とｎ型コンタクト層１６の層１６１の合計厚さが５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることがより好ましいと言える。
【0073】
図６は、発光素子１のｐ型層１５（層１５１と層１５２）のＡｌ組成を５０％から６０％に変更したときの、電圧－電流特性及び電圧－出力特性の変化を示すグラフである。図６中の点線は、ｐ型層１５のＡｌ組成が５０％であるときの特性を示し、実線は、ｐ型層１５のＡｌ組成が６０％であるときの特性を示している。
【0074】
図６は、ｐ型層１５のＡｌ組成が５０％と６０％のいずれの場合でも、発光素子１がトンネルジャンクションＬＥＤとして駆動することを示している。
【0075】
図７（ａ）は、発光素子１のＭｇ、Ｓｉ、Ｃの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）プロファイルを示すグラフである。図７（ａ）のそれぞれの元素の点線で表されるプロファイルはｎ型コンタクト層１６を５０ｍｂａｒの成長圧力で成長させた発光素子１のプロファイルであり、実線で表されるプロファイルはｎ型コンタクト層１６を１００ｍｂａｒの成長圧力で成長させた発光素子１のプロファイルである。
【0076】
図７（ａ）の「１５１」、「１５２」で示される範囲は、それぞれｐ型層１５の層１５１と層１５２に相当する範囲であり、「１６１」、「１６２」で示される範囲は、それぞれｎ型コンタクト層１６の１６１と層１６２に相当する範囲であり、これらはＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの濃度の変化により確認することができる。
【0077】
図７（ａ）によれば、５０ｍｂａｒの成長圧力で成長させたｎ型コンタクト層１６の層１６１、層１６２のＣ濃度がそれぞれおよそ２×１０１８ｃｍ－３、３×１０１８ｃｍ－３であり、１００ｍｂａｒの成長圧力で成長させた層１６１、層１６２のＣ濃度がおよそ７×１０１７ｃｍ－３である。このことから、ｎ型コンタクト層１６の成長圧力によりＣ濃度を制御できることがわかる。
【0078】
図７（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１６を５０ｍｂａｒの成長圧力で成長させた発光素子１と、ｎ型コンタクト層１６を１００ｍｂａｒの成長圧力で成長させた発光素子１の電圧－電流特性を示すグラフである。
【0079】
図７（ｂ）は、ｎ型コンタクト層１６を１００ｍｂａｒの成長圧力で成長させた場合、ｎ型コンタクト層１６を５０ｍｂａｒの成長圧力で成長させた場合よりも、発光素子１がより高い電流で動作できることを示している。これは、ｎ型コンタクト層１６を１００ｍｂａｒの成長圧力で成長させた場合の方が、ｎ型コンタクト層１６のＣ濃度が低いために、電子の補償が抑えられてｎ型コンタクト層１６のキャリア濃度が増加したことで、ｎ型コンタクト層１６の層１６１とｐ型層１５の層１５１をトンネリングする確率が高くなったことによると考えられる。
【0080】
図８（ａ）、（ｂ）は、５種の発光素子１（試料ＴＪ１～ＴＪ５とする）に印加される順方向電圧と電流密度との関係を示すグラフである。また、図８（ａ）、（ｂ）は、比較例として、トンネル接合を形成しない通常のｐｎ接合を有する２種の発光素子（試料ＰＮ１、ＰＮ２とする）に印加される順方向電圧と電流密度との関係も示す。
【0081】
ここで、試料ＴＪ１～ＴＪ５の構成は、表１に示される発光素子１の構成に基づいて細部を調整したものであり、試料ＰＮ１、ＰＮ２の構成は、表２に示される発光素子Ａの構成に基づいて細部を調整したものである。試料ＴＪ１～ＴＪ５の構成の表１に示される発光素子１の構成との相違点、及び試料ＰＮ１、ＰＮ２の構成の表２に示される発光素子Ａの構成との相違点を次の表７に示す。なお、試料ＴＪ４、ＴＪ５は、それぞれ図６のグラフに係るｐ型層１５のＡｌ組成が５０％である発光素子１と、ｐ型層１５のＡｌ組成が６０％である発光素子１と同一である。また、試料ＴＪ１、ＴＪ３は、それぞれ図７のグラフに係るｎ型コンタクト層１６を５０ｍｂａｒの成長圧力で成長させた発光素子１と、ｎ型コンタクト層１６を１００ｍｂａｒの成長圧力で成長させた発光素子１と同一である。
【0082】
【表7】
【0083】
図８によれば、試料ＴＪ３、ＴＪ４の方が試料ＴＪ１、ＴＪ２よりも電圧－電流密度特性が優れている。これは、ｎ型コンタクト層１６の層１６１及び１６２におけるＣの濃度が低く、キャリアの補償が抑えられていることによると考えられる。層１６１のＳｉ濃度が１．０×１０２１ｃｍ－３以下である場合には、層１６１のＣ濃度が４×１０１８ｃｍ－３以下である場合に優れた電圧－電流密度特性が得られることが確認されている。また、層１６２のＳｉ濃度が４．０×１０１９ｃｍ－３以下である場合には、層１６２のＣ濃度が層１６２のＳｉ濃度の１０％以下と４×１０１８ｃｍ－３以下の少なくともいずれか一方を満たす場合に優れた電圧－電流密度特性が得られることが確認されている。
【0084】
図９は、試料ＴＪ５と試料ＰＮ２における電流密度と出力との関係を示すグラフである。図９によれば、発光素子１の一例である試料ＴＪ５の方が、比較例である発光素子Ａの一例である試料ＰＮ２よりも電流密度に対する出力が小さいが、これは、試料ＰＮ２のｎ電極に反射電極が用いられ、試料ＴＪ５のｎ電極に反射電極が用いていないことによる。試料ＴＪ５のｎ電極に反射電極を用いる場合には、発光層から発せられる光を吸収するＧａＮを含む試料ＰＮ２の出力よりも試料ＴＪ５の出力の方が大きくなることが期待できる。
【0085】
以上、本発明の実施の形態及び実施例について説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態及び実施例の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【0086】
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【0087】
１ 発光素子
１０ 基板
１１ バッファ層
１２ ｎ型コンタクト層
１３ 発光層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型層
１５１ アクセプター高濃度層
１５２ アクセプター低濃度層
１６ ｎ型コンタクト層
１６１ ドナー高濃度層
１６２ ドナー低濃度層
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
１０ 基板
１１ バッファ層
１２ ｎ型コンタクト層
１３ 発光層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型層
１５１ アクセプター高濃度層
１５２ アクセプター低濃度層
１６ ｎ型コンタクト層
１６１ ドナー高濃度層
１６２ ドナー低濃度層
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】