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(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】P2025058869
(43)【公開日】2025-04-09
(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子
(51)【国際特許分類】
H10H 20/811 20250101AFI20250401BHJP
H10H 20/825 20250101ALN20250401BHJP
【ＦＩ】
H01L33/04
H01L33/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024087669
(22)【出願日】2024-05-30
(31)【優先権主張番号】P 2023165225
(32)【優先日】2023-09-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100138863
【弁理士】
【氏名又は名称】言上 惠一
(72)【発明者】
【氏名】兼平 真吾
(72)【発明者】
【氏名】川田 至孝
(72)【発明者】
【氏名】安倍 弘喜
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA24
5F241CA05
5F241CA40
5F241CB11
(57)【要約】
【課題】低電流での駆動及び順方向電圧の低減が可能な窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 第１ｎ型半導体層と、第１ｎ型半導体層上に配置され、第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、第１超格子層上に配置された活性層と、活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層上に配置され、前記第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、
前記第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、
前記第１超格子層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。
前記第１ｎ型半導体層上に配置され、前記第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、
前記第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、
前記第１超格子層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。
【請求項2】
前記第１超格子層は、第１層と、前記第１層と格子定数が異なる第２層と、が交互に積層され、
前記第１層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含む請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含む請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項3】
前記第２層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含み、
前記第２層のｐ型不純物濃度は、前記第１層のｐ型不純物濃度よりも小さく、
前記第２層のＩｎ組成比は、前記第１層のＩｎ組成比よりも小さい、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第２層のｐ型不純物濃度は、前記第１層のｐ型不純物濃度よりも小さく、
前記第２層のＩｎ組成比は、前記第１層のＩｎ組成比よりも小さい、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項4】
前記第１層のｐ型不純物濃度は、前記第１ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度よりも小さい請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項5】
前記第１層のｐ型不純物濃度は、１×１０１8ｃｍ－3以上３×１０１９ｃｍ－3以下である請求項２～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項6】
前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さより薄い請求項２～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項7】
前記第２ｎ型半導体層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含む請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含む請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項8】
前記第２ｎ型半導体層と前記第２活性層との間に配置された第２超格子層をさらに有する請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項9】
前記第２超格子層は、第３層と、前記第３層と格子定数が異なる第４層と、が交互に積層され、
前記第３層及び前記第４層は、アンドープの層である請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３層及び前記第４層は、アンドープの層である請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項10】
前記第２超格子層は、第３層と、前記第３層と格子定数が異なる第４層と、が交互に積層され、
前記第３層は、ｎ型不純物を含む請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第３層は、ｎ型不純物を含む請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項11】
前記第３層は、Ｉｎを含む請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項12】
前記第４層のｎ型不純物濃度は、前記第３層のｎ型不純物濃度よりも小さく、
前記第４層のＩｎ組成比は、前記第３層のＩｎ組成比よりも小さい、請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第４層のＩｎ組成比は、前記第３層のＩｎ組成比よりも小さい、請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項13】
前記第３層の厚さは、前記第４層の厚さより薄い請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項14】
前記第１ｎ型半導体層は、第３超格子層と、前記第３超格子層上に配置され、前記第１ｐ型半導体層と接する第１接合層とを含み、
前記第１ｐ型半導体層は、前記第１接合層とトンネル接合する第２接合層を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第１ｐ型半導体層は、前記第１接合層とトンネル接合する第２接合層を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項15】
前記第３超格子層の厚さは、前記第１超格子層の厚さよりも薄い請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項16】
前記第３超格子層は、ｎ型不純物を含む請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項17】
前記第２ｎ型半導体層上に配置され、ｎ型不純物を含む第２超格子層と、
前記第２超格子層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含み、
前記第３超格子層のｎ型不純物濃度は、前記第２超格子層のｎ型不純物濃度より小さい請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子。
前記第２超格子層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含み、
前記第３超格子層のｎ型不純物濃度は、前記第２超格子層のｎ型不純物濃度より小さい請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化物半導体発光素子は、その用途が拡大するにつれて発光効率の向上が求められ、特許文献１に開示された発光素子は低電流で駆動させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０２０－５０１３４５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、窒化物半導体発光素子は、その用途が拡大するにつれて、さらなる低電流での駆動及び順方向電圧の低減が求められている。
【0005】
そこで、本開示は、低電流での駆動及び順方向電圧の低減が可能な窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
以上の目的を達成するために、本開示に係る窒化物半導体発光素子は、
第１ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層上に配置され、前記第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、
前記第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、
前記第１超格子層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、
を含む。
第１ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層上に配置され、前記第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、
前記第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、
前記第１超格子層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、
を含む。
【発明の効果】
【0007】
以上のように構成された本開示に係る窒化物半導体発光素子によれば、低電流での駆動及び順方向電圧の低減が可能な窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態１の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図3】実施形態２の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図4】実施形態３の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図6】実施形態４－１の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【図7】実施形態４－２の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための実施形態や実施例を説明する。なお、以下に説明する窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定するものではない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないことがある。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないことがある。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
【0010】
本開示に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、図１等に示すように、第１ｎ型半導体層２０と、第１ｎ型半導体層２０上に配置され、第１ｎ型半導体層２０と接する第１ｐ型半導体層３０と、第１ｐ型半導体層３０上に配置され、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０と、第１超格子層４０上に配置された第１活性層５０と、第１活性層５０上に配置された第２ｎ型半導体層６０と、第１ｎ型半導体層２０と電気的に接続された第１電極１１と、第２ｎ型半導体層６０と電気的に接続された第２電極１２と、を含む。
以上のように構成された本開示に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０を備えていることにより、順方向電圧Ｖｆを低くすることができ、印加電圧に対する発光強度を高くできる。
ここで、本明細書における窒化物半導体とは、アルミニウム（Ａl）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくともいずれか１つと窒素（Ｎ）とを含む２元～４元の半導体をいい、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる化学式において組成比ｘ及びｙ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み得る。
以下、本開示に係る実施形態の窒化物半導体発光素子について詳細に説明する。
以上のように構成された本開示に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０を備えていることにより、順方向電圧Ｖｆを低くすることができ、印加電圧に対する発光強度を高くできる。
ここで、本明細書における窒化物半導体とは、アルミニウム（Ａl）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくともいずれか１つと窒素（Ｎ）とを含む２元～４元の半導体をいい、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなる化学式において組成比ｘ及びｙ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み得る。
以下、本開示に係る実施形態の窒化物半導体発光素子について詳細に説明する。
【0011】
［実施形態１］
図１は、実施形態１の窒化物半導体発光素子の断面図である。また、図２は、図１の窒化物半導体発光素子における第１超格子層４０の断面図である。
図１に示すように、実施形態１の半導体発光素子は、例えば、基板１０と、基板１０上に配置された第１発光部１を含む。第１発光部１は、それぞれ窒化物半導体により構成される、基板１０上に配置された第１ｎ型半導体層２０と、第１ｎ型半導体層２０上に配置された第１ｐ型半導体層３０と、第１ｐ型半導体層３０上に配置され、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０と、第１超格子層４０上に配置された第１活性層５０と、第１活性層５０上に配置された第２ｎ型半導体層６０と、を含む。
さらに、実施形態１の窒化物半導体発光素子は、第１ｎ型半導体層２０と例えばオーミック接触させることにより、第１ｎ型半導体層２０と電気的に接続された第１電極１１と、第２ｎ型半導体層６０と例えばオーミック接触させることにより、第２ｎ型半導体層６０と電気的に接続された第２電極１２と、を含む。
以上のように構成された実施形態１の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とは接しており、第１電極１１から注入された電流は、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とを介して第1活性層５０に注入されて第１発光部１が発光する。すなわち、実施形態１の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０に配置された第１電極１１は正電極であり、第２電極１２は負電極である。
そして、本開示に係る実施形態１の窒化物半導体発光素子は、ｐ型不純物を含む第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０を配置することにより、順方向電圧Ｖｆを低くして、印加電圧に対する発光強度を高くしている。
図１は、実施形態１の窒化物半導体発光素子の断面図である。また、図２は、図１の窒化物半導体発光素子における第１超格子層４０の断面図である。
図１に示すように、実施形態１の半導体発光素子は、例えば、基板１０と、基板１０上に配置された第１発光部１を含む。第１発光部１は、それぞれ窒化物半導体により構成される、基板１０上に配置された第１ｎ型半導体層２０と、第１ｎ型半導体層２０上に配置された第１ｐ型半導体層３０と、第１ｐ型半導体層３０上に配置され、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０と、第１超格子層４０上に配置された第１活性層５０と、第１活性層５０上に配置された第２ｎ型半導体層６０と、を含む。
さらに、実施形態１の窒化物半導体発光素子は、第１ｎ型半導体層２０と例えばオーミック接触させることにより、第１ｎ型半導体層２０と電気的に接続された第１電極１１と、第２ｎ型半導体層６０と例えばオーミック接触させることにより、第２ｎ型半導体層６０と電気的に接続された第２電極１２と、を含む。
以上のように構成された実施形態１の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とは接しており、第１電極１１から注入された電流は、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とを介して第1活性層５０に注入されて第１発光部１が発光する。すなわち、実施形態１の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０に配置された第１電極１１は正電極であり、第２電極１２は負電極である。
そして、本開示に係る実施形態１の窒化物半導体発光素子は、ｐ型不純物を含む第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０を配置することにより、順方向電圧Ｖｆを低くして、印加電圧に対する発光強度を高くしている。
【0012】
すなわち、本開示の実施形態１の窒化物半導体発光素子かかる発明は、第１ｎ型半導体層２０に電気的に接続された正電極から注入される電流を、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とを介して第1活性層５０に注入する発光素子において、ｐ型不純物を含んでｐ型電導性を有する第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０を配置することにより、第１活性層５０へのホールの供給効率を上昇させることができ、順方向電圧Ｖｆを低くして、印加電圧に対する発光強度を高くできるという本発明者が独自に得た知見に基づきなされたものである。
以下、本発明者が得た知見に基づき、第１超格子層４０の具体例及びより好ましい形態について説明する。
以下、本発明者が得た知見に基づき、第１超格子層４０の具体例及びより好ましい形態について説明する。
【0013】
＜第１超格子層＞
図２は、実施形態１の窒化物半導体発光素子における第１超格子層４０を拡大して示す断面図である。
第１超格子層４０は、図２に示すように、第１層４１と第２層４２とを有する。第１層４１と第２層４２とは、交互に積層される。第２層４２の格子定数は、第１層４１の格子定数とは異なる。第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、第１超格子層４０を配置することで、第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の格子定数の差による第１活性層５０の結晶の歪みを低減することができる。第１活性層５０の結晶の歪みを低減することで、第１活性層５０の内部量子効率を高くすることができる。その結果、発光効率を向上できる。
第１層４１と第２層４２の組成は、例えば、第１活性層５０の組成またはバンドギャップ、第１活性層５０が量子井戸構造を有する場合には井戸層の組成またはバンドギャップを考慮して設定することが好ましい。例えば、井戸層がＩｎＧａＮ層により構成されている場合は、第１層４１及び第２層４２を、井戸層よりもＩｎの組成比が小さい層とすることが好ましい。
図２は、実施形態１の窒化物半導体発光素子における第１超格子層４０を拡大して示す断面図である。
第１超格子層４０は、図２に示すように、第１層４１と第２層４２とを有する。第１層４１と第２層４２とは、交互に積層される。第２層４２の格子定数は、第１層４１の格子定数とは異なる。第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、第１超格子層４０を配置することで、第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の格子定数の差による第１活性層５０の結晶の歪みを低減することができる。第１活性層５０の結晶の歪みを低減することで、第１活性層５０の内部量子効率を高くすることができる。その結果、発光効率を向上できる。
第１層４１と第２層４２の組成は、例えば、第１活性層５０の組成またはバンドギャップ、第１活性層５０が量子井戸構造を有する場合には井戸層の組成またはバンドギャップを考慮して設定することが好ましい。例えば、井戸層がＩｎＧａＮ層により構成されている場合は、第１層４１及び第２層４２を、井戸層よりもＩｎの組成比が小さい層とすることが好ましい。
【0014】
第１層４１及び第２層４２は、例えば、Ｉｎ組成比が異なることで、第１層４１の格子定数と第２層４２の格子定数とが異なる。第１層４１及び第２層４２の少なくとも一方の層は、ｐ型不純物がドープされた層である。第１層４１及び第２層４２の少なくとも一方の層にｐ型不純物がドープされていることで、上述したように、順方向電圧Ｖｆを低くすることができる。第１層４１及び第２層４２の少なくとも一方の層のｐ型不純物濃度は、１×１０１8ｃｍ－3以上３×１０１９ｃｍ－3以下であることが好ましい。また、第１層４１及び第２層４２の少なくとも一方にドープされるｐ型不純物の濃度は、第１ｐ型半導体層３０のｐ型不純物濃度よりも小さいことが好ましい。
【0015】
例えば、第１層４１のＩｎ組成比を、第２層４２のＩｎ組成比よりも大きくすることができる。この場合、第１層４１のｐ型不純物濃度を、第２層４２のｐ型不純物濃度よりも大きくすることで、順方向電圧Ｖｆを低くしやすい。これは、第１層４１の上面近傍にＩｎが分布しやすいことで、第１層４１の上面の面粗さが小さくなりやすくなり、第１層４１にｐ型不純物をドープしたとしても、第１超格子層４０の結晶性が悪化しにくいためであると考えられる。
また、第１層４１のＩｎ組成比を、第２層４２のＩｎ組成比よりも大きくし、第１層４１のｐ型不純物濃度を、第２層４２のｐ型不純物濃度よりも大きくする場合、第１層４１のｐ型不純物濃度は、１×１０１8ｃｍ－3以上３×１０１９ｃｍ－3以下であることが好ましい。第１層４１のｐ型不純物濃度をこのような範囲とすることで、第１活性層５０へのホールの供給効率を上昇させつつ、第１超格子層４０の結晶性の悪化を低減できる。この場合、第２層４２は、アンドープ層であることが好ましい。
また、第１層４１のＩｎ組成比を、第２層４２のＩｎ組成比よりも大きくし、第１層４１のｐ型不純物濃度を、第２層４２のｐ型不純物濃度よりも大きくする場合、第１層４１の厚さは、第２層４２の厚さより薄いことが好ましい。比較的ｐ型不純物濃度が大きい第１層４１の厚さが薄いことで、第１超格子層４０の結晶性の悪化を低減できる。
特に、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とをトンネル接合させる場合には、後述するように、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０の接合部分における不純物濃度が高くなるが、第１超格子層４０を配置することにより不純物の第１活性層５０への拡散を低減でき、不純物の第１活性層５０への拡散による発光効率の低下を効果的に低減できる。
また、第１層４１のＩｎ組成比を、第２層４２のＩｎ組成比よりも大きくし、第１層４１のｐ型不純物濃度を、第２層４２のｐ型不純物濃度よりも大きくする場合、第１層４１のｐ型不純物濃度は、１×１０１8ｃｍ－3以上３×１０１９ｃｍ－3以下であることが好ましい。第１層４１のｐ型不純物濃度をこのような範囲とすることで、第１活性層５０へのホールの供給効率を上昇させつつ、第１超格子層４０の結晶性の悪化を低減できる。この場合、第２層４２は、アンドープ層であることが好ましい。
また、第１層４１のＩｎ組成比を、第２層４２のＩｎ組成比よりも大きくし、第１層４１のｐ型不純物濃度を、第２層４２のｐ型不純物濃度よりも大きくする場合、第１層４１の厚さは、第２層４２の厚さより薄いことが好ましい。比較的ｐ型不純物濃度が大きい第１層４１の厚さが薄いことで、第１超格子層４０の結晶性の悪化を低減できる。
特に、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とをトンネル接合させる場合には、後述するように、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０の接合部分における不純物濃度が高くなるが、第１超格子層４０を配置することにより不純物の第１活性層５０への拡散を低減でき、不純物の第１活性層５０への拡散による発光効率の低下を効果的に低減できる。
【0016】
以上のように構成された第１超格子層４０を備えた実施形態１の窒化物半導体発光素子は、ｐ型不純物を含んでｐ型電導性を有する第１ｐ型半導体層３０と第１活性層５０の間に、ｐ型不純物を含む第１超格子層４０を配置することにより、順方向電圧Ｖｆを低くして、印加電圧に対する発光強度を高くすることができる。
以下、実施形態１の窒化物半導体発光素子の各構成について詳細に説明する。
以下、実施形態１の窒化物半導体発光素子の各構成について詳細に説明する。
【0017】
＜基板＞
基板１０の材料は、例えば、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどである。基板１０は、窒化物半導体層を成長させるための成長基板とすることができる。基板１０と第１ｎ型半導体層２０の間にバッファ層を配置してもよい。基板１０は、第１ｎ型半導体層２０等の半導体層を成長した後で除去してよい。
基板１０の材料は、例えば、サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどである。基板１０は、窒化物半導体層を成長させるための成長基板とすることができる。基板１０と第１ｎ型半導体層２０の間にバッファ層を配置してもよい。基板１０は、第１ｎ型半導体層２０等の半導体層を成長した後で除去してよい。
【0018】
＜第１ｎ型半導体層２０＞
第１ｎ型半導体層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第１ｎ型半導体層２０を構成する窒化物半導体は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第１ｎ型半導体層２０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
また、第１ｎ型半導体層２０は、１以上のｎ型窒化物半導体層を含んでいてもよく、例えば、ｎ型不純物であるＳｉが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層を第１ｐ型半導体層３０とトンネル接合する層として含んでいることが好ましい。この第１ｐ型半導体層３０とトンネル接合する層は、Ｓｉが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた、例えば、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のｎ型ＧａＮからなる。第１ｎ型半導体層２０は、上記トンネル接合する層以外に、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層を含むことが好ましく、トンネル接合する層以外のｎ型不純物を含む窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｎ型不純物であるＳｉを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｎ型ＧａＮ層により構成することができる。また、第１ｎ型半導体層２０は、アンドープの半導体層を一部に含んでいてよい。ここで、アンドープの半導体層とは、ｎ型不純物及びｐ型不純物を意図的に添加していない層のことをいう。第１ｎ型半導体層２０全体の厚さは、例えば、５μｍ以上１５μｍ以下である。
第１ｎ型半導体層２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第１ｎ型半導体層２０を構成する窒化物半導体は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第１ｎ型半導体層２０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
また、第１ｎ型半導体層２０は、１以上のｎ型窒化物半導体層を含んでいてもよく、例えば、ｎ型不純物であるＳｉが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層を第１ｐ型半導体層３０とトンネル接合する層として含んでいることが好ましい。この第１ｐ型半導体層３０とトンネル接合する層は、Ｓｉが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた、例えば、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のｎ型ＧａＮからなる。第１ｎ型半導体層２０は、上記トンネル接合する層以外に、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層を含むことが好ましく、トンネル接合する層以外のｎ型不純物を含む窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｎ型不純物であるＳｉを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｎ型ＧａＮ層により構成することができる。また、第１ｎ型半導体層２０は、アンドープの半導体層を一部に含んでいてよい。ここで、アンドープの半導体層とは、ｎ型不純物及びｐ型不純物を意図的に添加していない層のことをいう。第１ｎ型半導体層２０全体の厚さは、例えば、５μｍ以上１５μｍ以下である。
【0019】
＜第１ｐ型半導体層３０＞
第１ｐ型半導体層３０は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第１ｐ型半導体層３０を構成する窒化物半導体は、例えばｐ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第１ｐ型半導体層３０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
また、第１ｐ型半導体層３０は、１以上のｐ型窒化物半導体層を含んでいてもよく、例えば、ｐ型不純物であるＭｇが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層を第１ｎ型半導体層２０の最上層に含む層とトンネル接合する層として含んでいることが好ましい。この第１ｐ型半導体層におけるトンネル接合する層は、Ｍｇが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた、例えば、厚さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下のｐ型ＧａＮからなる。第１ｐ型半導体層３０は、上記トンネル接合する層以外に、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層を含むことが好ましく、トンネル接合する層以外のｐ型不純物を含む窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｐ型不純物であるＭｇを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｐ型ＧａＮ層により構成することができる。第１ｐ型半導体層３０は、アンドープの半導体層を一部に含んでいてよい。第１ｐ型半導体層３０全体の厚さは、例えば、０．０４μｍ以上０．２μｍ以下とすることができる。
第１ｐ型半導体層３０は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第１ｐ型半導体層３０を構成する窒化物半導体は、例えばｐ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第１ｐ型半導体層３０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
また、第１ｐ型半導体層３０は、１以上のｐ型窒化物半導体層を含んでいてもよく、例えば、ｐ型不純物であるＭｇが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層を第１ｎ型半導体層２０の最上層に含む層とトンネル接合する層として含んでいることが好ましい。この第１ｐ型半導体層におけるトンネル接合する層は、Ｍｇが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた、例えば、厚さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下のｐ型ＧａＮからなる。第１ｐ型半導体層３０は、上記トンネル接合する層以外に、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層を含むことが好ましく、トンネル接合する層以外のｐ型不純物を含む窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｐ型不純物であるＭｇを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｐ型ＧａＮ層により構成することができる。第１ｐ型半導体層３０は、アンドープの半導体層を一部に含んでいてよい。第１ｐ型半導体層３０全体の厚さは、例えば、０．０４μｍ以上０．２μｍ以下とすることができる。
【0020】
＜第１活性層５０＞
第１活性層５０は、例えば、発光ピーク波長範囲が２００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体層である。第１活性層５０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造であってもよいし、１つの井戸層とその両側の障壁層を含む単一量子井戸構造であってもよい。第１活性層５０が単一又は多重量子井戸である場合、井戸層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮであり、障壁層は、例えばＡｌＧａＮ又はＧａＮである。
第１活性層５０は、例えば、発光ピーク波長範囲が２００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体層である。第１活性層５０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造であってもよいし、１つの井戸層とその両側の障壁層を含む単一量子井戸構造であってもよい。第１活性層５０が単一又は多重量子井戸である場合、井戸層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮであり、障壁層は、例えばＡｌＧａＮ又はＧａＮである。
【0021】
＜第２ｎ型半導体層６０＞
第２ｎ型半導体層６０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体層を含む。第２ｎ型半導体層６０は、１以上のｎ型窒化物半導体層を含んでいてもよく、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第２ｎ型半導体層６０を構成する窒化物半導体は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてもよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第２ｎ型半導体層６０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてもよい。
第２ｎ型半導体層６０の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１５μｍ以下とすることができ、好ましくは、０．１μｍ以上５μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以上３μｍ以下、特に好ましくは、０．１μｍ以上１μｍ以下とすることができる。第２ｎ型半導体層６０の不純物濃度は、ｎ型不純物としてＳｉを含む場合、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることができる。
第２ｎ型半導体層６０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体層を含む。第２ｎ型半導体層６０は、１以上のｎ型窒化物半導体層を含んでいてもよく、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第２ｎ型半導体層６０を構成する窒化物半導体は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてもよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第２ｎ型半導体層６０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてもよい。
第２ｎ型半導体層６０の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１５μｍ以下とすることができ、好ましくは、０．１μｍ以上５μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以上３μｍ以下、特に好ましくは、０．１μｍ以上１μｍ以下とすることができる。第２ｎ型半導体層６０の不純物濃度は、ｎ型不純物としてＳｉを含む場合、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることができる。
【0022】
＜第１及び第２電極＞
第１電極１１及び第２電極１２は、第１ｎ型半導体層２０及び第２ｎ型半導体層６０、すなわちｎ型半導体層と電気的に接続される電極であり、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、又はこれらの金属を含む合金により構成することができる。第１電極１１及び第２電極１２は、単層構造としてもよいし、複数の層が積層された積層構造としてもよい。第１電極１１及び第２電極１２は、例えば、Ｔｉ層、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｔｉ層がこの順に積層された積層構造とすることができる。
第１電極１１及び第２電極１２は、第１ｎ型半導体層２０及び第２ｎ型半導体層６０、すなわちｎ型半導体層と電気的に接続される電極であり、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、又はこれらの金属を含む合金により構成することができる。第１電極１１及び第２電極１２は、単層構造としてもよいし、複数の層が積層された積層構造としてもよい。第１電極１１及び第２電極１２は、例えば、Ｔｉ層、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層、Ｔｉ層がこの順に積層された積層構造とすることができる。
【0023】
［実施形態２］
図３は、実施形態２の窒化物半導体発光素子の断面図である。
実施形態２の窒化物半導体発光素子は、図３に示すように、実施形態１の窒化物半導体発光素子の第１発光部１の上に第２発光部２を備えている。第２発光部２は、第１発光部と共有する第２ｎ型半導体層６０と、第２ｎ型半導体層６０上に配置された第２活性層７０と、第２活性層７０上に配置された第２ｐ型半導体層８０と、を備える。また、実施形態２の窒化物半導体発光素子は、第２ｐ型半導体層８０と電気的に接続された第３電極１３を備えている。ここで、第３電極１３は、パッド電極１３ａと第２ｐ型半導体層８０に接して配置された電極層１３ｂとを含んでよい。尚、実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第２電極１２は、例えば、第２活性層７０及び第２ｐ型半導体層８０を除去して露出させた第２ｎ型半導体層６０上に配置される。また、第１電極１１は、実施形態１の窒化物半導体発光素子と同様にして、第１ｎ型半導体層２０の上に配置される。
図３は、実施形態２の窒化物半導体発光素子の断面図である。
実施形態２の窒化物半導体発光素子は、図３に示すように、実施形態１の窒化物半導体発光素子の第１発光部１の上に第２発光部２を備えている。第２発光部２は、第１発光部と共有する第２ｎ型半導体層６０と、第２ｎ型半導体層６０上に配置された第２活性層７０と、第２活性層７０上に配置された第２ｐ型半導体層８０と、を備える。また、実施形態２の窒化物半導体発光素子は、第２ｐ型半導体層８０と電気的に接続された第３電極１３を備えている。ここで、第３電極１３は、パッド電極１３ａと第２ｐ型半導体層８０に接して配置された電極層１３ｂとを含んでよい。尚、実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第２電極１２は、例えば、第２活性層７０及び第２ｐ型半導体層８０を除去して露出させた第２ｎ型半導体層６０上に配置される。また、第１電極１１は、実施形態１の窒化物半導体発光素子と同様にして、第１ｎ型半導体層２０の上に配置される。
【0024】
以上のように構成された実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第１電極１１は、第１発光部１の正電極として機能する。また、第３電極１３は、第２発光部２の正電極として機能する。また、第２電極１２は、第１発光部１及び第２発光部２の負電極として機能する。
実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第１電極１１と第２電極１２の間に電圧を印加することにより、第１発光部１を点灯させることができる。また、第３電極１３と第２電極１２の間に電圧を印加することにより、第２発光部２を点灯させることができる。このように、第１発光部１と第２発光部２とは独立点灯が可能である。
また、第１発光部１と第２発光部２とを同時に点灯させる場合であっても、第１電極１１と第２電極１２の間に印加する電圧及び第３電極１３と第２電極１２の間に印加する電圧を調整することにより、第１発光部１と第２発光部２の発光強度を個別に制御することができる。
さらに、実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第１発光部１は、実施形態１の窒化物半導体発光素子と同様の構成を有しているので、順方向電圧Ｖｆを低くして、印加電圧に対する発光強度を高くできる。
実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第１電極１１と第２電極１２の間に電圧を印加することにより、第１発光部１を点灯させることができる。また、第３電極１３と第２電極１２の間に電圧を印加することにより、第２発光部２を点灯させることができる。このように、第１発光部１と第２発光部２とは独立点灯が可能である。
また、第１発光部１と第２発光部２とを同時に点灯させる場合であっても、第１電極１１と第２電極１２の間に印加する電圧及び第３電極１３と第２電極１２の間に印加する電圧を調整することにより、第１発光部１と第２発光部２の発光強度を個別に制御することができる。
さらに、実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第１発光部１は、実施形態１の窒化物半導体発光素子と同様の構成を有しているので、順方向電圧Ｖｆを低くして、印加電圧に対する発光強度を高くできる。
【0025】
以上のように構成された実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第１発光部１と第２発光部２は、同一の発光ピーク波長を有していてもよく、異なる発光ピーク波長を有していてもよい。換言すると、第１活性層５０の発光ピーク波長と第２活性層７０の発光ピーク波長とは同一であってもよいし、異なっていてもよい。実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第２活性層７０は、第１活性層５０の上方に位置する。従って、第１活性層５０の発光ピーク波長と第２活性層７０の発光ピーク波長が異なる場合において、混色性を高くすることができる。なお、第１活性層５０の組成が、第２活性層７０の組成と異なることで、第１活性層５０の発光ピーク波長が第２活性層７０の発光ピーク波長と異なる。例えば、第１活性層５０のＩｎ組成比が、第２活性層７０のＩｎ組成比と異なることで第１活性層５０の発光ピーク波長が第２活性層７０の発光ピーク波長と異なる。
例えば、窒化物半導体発光素子において、発光効率は、発光ピーク波長によって異なる。実施形態２の窒化物半導体発光素子においては、上述したように、第１発光部１と第２発光部２とを同時に点灯させる場合であっても、第１電極１１と第２電極１２の間に印加する電圧及び第３電極１３と第２電極１２の間に印加する電圧を調整することにより、第１発光部１と第２発光部２の発光強度を個別に制御することができる。従って、実施形態２の窒化物半導体発光素子においては、第１活性層５０の発光ピーク波長と第２活性層７０の発光ピーク波長が異なる場合であっても、第１電極１１と第２電極１２の間に印加する電圧及び第３電極１３と第２電極１２の間に印加する電圧を調整することにより、任意の発光色が得やすい発光素子とすることができる。
例えば、窒化物半導体発光素子において、発光効率は、発光ピーク波長によって異なる。実施形態２の窒化物半導体発光素子においては、上述したように、第１発光部１と第２発光部２とを同時に点灯させる場合であっても、第１電極１１と第２電極１２の間に印加する電圧及び第３電極１３と第２電極１２の間に印加する電圧を調整することにより、第１発光部１と第２発光部２の発光強度を個別に制御することができる。従って、実施形態２の窒化物半導体発光素子においては、第１活性層５０の発光ピーク波長と第２活性層７０の発光ピーク波長が異なる場合であっても、第１電極１１と第２電極１２の間に印加する電圧及び第３電極１３と第２電極１２の間に印加する電圧を調整することにより、任意の発光色が得やすい発光素子とすることができる。
【0026】
以下、実施形態２の窒化物半導体発光素子の各構成について詳細に説明する。なお、実施形態１と共通する構成については説明を省略する。
【0027】
＜第２活性層７０＞
第２活性層７０は、例えば、発光ピーク波長範囲が２００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体層である。第２活性層７０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造であってもよいし、1つの井戸層とその両側の障壁層を含む単一量子井戸構造であってもよい。第２活性層７０が単一又は多重量子井戸である場合、井戸層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮであり、障壁層は、例えばＡｌＧａＮ又はＧａＮである。
第２活性層７０は、例えば、発光ピーク波長範囲が２００ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体層である。第２活性層７０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造であってもよいし、1つの井戸層とその両側の障壁層を含む単一量子井戸構造であってもよい。第２活性層７０が単一又は多重量子井戸である場合、井戸層は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮであり、障壁層は、例えばＡｌＧａＮ又はＧａＮである。
【0028】
＜第２ｐ型半導体層８０＞
第２ｐ型半導体層８０は、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第２活性層７０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第２ｐ型半導体層８０を構成する窒化物半導体は、例えばｐ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第２活性層７０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第２ｐ型半導体層８０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
また、第２ｐ型半導体層８０は、１以上のｐ型窒化物半導体層を含んでいてもよい。第２ｐ型半導体層８０は、アンドープの半導体層を一部に含んでいてよい。第２ｐ型半導体層８０全体の厚さは、例えば、０．０４μｍ以上０．２μｍ以下とすることができる。
第２ｐ型半導体層８０は、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第２活性層７０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、第２ｐ型半導体層８０を構成する窒化物半導体は、例えばｐ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第２活性層７０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、第２ｐ型半導体層８０を構成する窒化物半導体は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
また、第２ｐ型半導体層８０は、１以上のｐ型窒化物半導体層を含んでいてもよい。第２ｐ型半導体層８０は、アンドープの半導体層を一部に含んでいてよい。第２ｐ型半導体層８０全体の厚さは、例えば、０．０４μｍ以上０．２μｍ以下とすることができる。
【0029】
＜第３電極１３＞
第３電極１３は、例えば、パッド電極１３ａと第２ｐ型半導体層８０に接して配置された電極層１３ｂとを含む。電極層１３ｂは、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩＺＯ、Ｉｎ２Ｏ３などの透光性を有する金属酸化物や、銀などの光反射性を有する部材を用いることができる。電極層１３ｂとして、透光性を有する部材を用いることで、第２ｐ型半導体層８０側から光を出射させることができる。また、パッド電極１３ａは、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、又はこれらの金属を含む合金により構成することができる。
第３電極１３は、例えば、パッド電極１３ａと第２ｐ型半導体層８０に接して配置された電極層１３ｂとを含む。電極層１３ｂは、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩＺＯ、Ｉｎ２Ｏ３などの透光性を有する金属酸化物や、銀などの光反射性を有する部材を用いることができる。電極層１３ｂとして、透光性を有する部材を用いることで、第２ｐ型半導体層８０側から光を出射させることができる。また、パッド電極１３ａは、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、又はこれらの金属を含む合金により構成することができる。
【0030】
［実施形態３］
図４は、実施形態３の窒化物半導体発光素子の断面図である。
実施形態３の窒化物半導体発光素子は、図４に示すように、実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第２ｎ型半導体層６０と第２活性層７０の間に、第２超格子層９０を備えている以外は、実施形態２の窒化物半導体発光素子と同様に構成される。
すなわち、実施形態３の窒化物半導体発光素子は、第２発光部２が第２超格子層９０を備えている。
図５は、図４の第２超格子層９０を拡大して示す断面図である。
以下、第２超格子層９０について詳細に説明する。
図４は、実施形態３の窒化物半導体発光素子の断面図である。
実施形態３の窒化物半導体発光素子は、図４に示すように、実施形態２の窒化物半導体発光素子において、第２ｎ型半導体層６０と第２活性層７０の間に、第２超格子層９０を備えている以外は、実施形態２の窒化物半導体発光素子と同様に構成される。
すなわち、実施形態３の窒化物半導体発光素子は、第２発光部２が第２超格子層９０を備えている。
図５は、図４の第２超格子層９０を拡大して示す断面図である。
以下、第２超格子層９０について詳細に説明する。
【0031】
＜第２超格子層９０＞
本実施形態において、第２超格子層９０は、第３層９１と、第３層９１と格子定数が異なる第４層９２とを有する。第２超格子層９０は、第３層９１と、第４層９２とが交互に積層された層である。第３層９１と、第４層９２は、例えば、Ｉｎ組成比が異なる。第２ｎ型半導体層６０と第２活性層７０の間に第２超格子層９０を配置することで、第２ｎ型半導体層６０の格子定数と第２活性層７０の格子定数の差による第２活性層７０の結晶の歪みを低減することができる。第２活性層７０の結晶の歪みを低減することで、内部量子効率を高くすることができ、発光効率を向上できる。さらに、以下に説明するように、第３層９１と第４層９２の不純物濃度、組成、厚さ等を適宜選択することにより種々の効果を得ることができる。
本実施形態において、第２超格子層９０は、第３層９１と、第３層９１と格子定数が異なる第４層９２とを有する。第２超格子層９０は、第３層９１と、第４層９２とが交互に積層された層である。第３層９１と、第４層９２は、例えば、Ｉｎ組成比が異なる。第２ｎ型半導体層６０と第２活性層７０の間に第２超格子層９０を配置することで、第２ｎ型半導体層６０の格子定数と第２活性層７０の格子定数の差による第２活性層７０の結晶の歪みを低減することができる。第２活性層７０の結晶の歪みを低減することで、内部量子効率を高くすることができ、発光効率を向上できる。さらに、以下に説明するように、第３層９１と第４層９２の不純物濃度、組成、厚さ等を適宜選択することにより種々の効果を得ることができる。
【0032】
（実施形態３－１）
実施形態３－１においては、第３層９１及び第４層９２を共にアンドープの層とする。一般に、窒化物半導体は、成長基板上に組成の異なる層の積層が増えるほど、上層側において、結晶性が悪化しやすい。従って、第１発光部１の上に積層される、第２超格子層９０においては、第３層９１及び第４層９２を共にアンドープの層とすることで、第２超格子層９０の結晶性の悪化を低減できる。
実施形態３－１においては、第３層９１及び第４層９２を共にアンドープの層とする。一般に、窒化物半導体は、成長基板上に組成の異なる層の積層が増えるほど、上層側において、結晶性が悪化しやすい。従って、第１発光部１の上に積層される、第２超格子層９０においては、第３層９１及び第４層９２を共にアンドープの層とすることで、第２超格子層９０の結晶性の悪化を低減できる。
【0033】
（実施形態３－２）
実施形態３－２においては、第３層９１及び第４層９２の少なくとも一方の層を、ｎ型不純物を含む層とする。例えば、ｎ型不純物としては、Ｓｉが挙げられる。第３層９１及び第４層９２の少なくとも一方のｎ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましい。このようにするとことで、第２活性層７０への電子供給効率を向上させることができ、発光効率を向上させることができる。
実施形態３－２においては、第３層９１及び第４層９２の少なくとも一方の層を、ｎ型不純物を含む層とする。例えば、ｎ型不純物としては、Ｓｉが挙げられる。第３層９１及び第４層９２の少なくとも一方のｎ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましい。このようにするとことで、第２活性層７０への電子供給効率を向上させることができ、発光効率を向上させることができる。
【0034】
また、実施形態３－２においては、第３層９１をｎ型不純物を含む層とし、さらに第３層９１を、例えば、ＩｎＧａＮ層等のＩｎを含む層とすることが好ましい。このようにすることにより、ｎ型不純物による第２活性層７０への電子供給効率を向上させつつ、ｎ型不純物による第２超格子層９０の結晶性の悪化を低減することができる。ｎ型不純物による第２超格子層９０の結晶性の悪化を低減できる理由については、第３層９１の上面近傍にＩｎが分布しやすいことで、第３層９１の上面の面粗さが小さくなりやすく、その結果、第３層９１にｎ型不純物をドープとしても、第２超格子層９０の結晶性が悪化しにくいためであると考えられる。
【0035】
また、実施形態３－２においては、第３層９１をｎ型不純物を含み、かつ、Ｉｎを含む層とし、第４層９２を第３層９１よりもｎ型不純物濃度が小さく、かつ、第３層９１よりもＩｎ組成比が小さい層とすることがより好ましい。このようにすることで、第２超格子層９０のｎ型不純物濃度が高くなり、第２超格子層９０の結晶性が悪化しにくくできる。なお、この場合、第４層９２は、Ｉｎを含まない層であってよい。また、第４層９２は、アンドープの層であってよい。
【0036】
さらに、実施形態３－２において、第３層９１をｎ型不純物を含み、かつ、Ｉｎを含む層とし、第４層９２を第３層９１よりもｎ型不純物濃度が小さく、かつ、第３層９１よりもＩｎ組成比が小さい層とする場合、第３層９１の厚さは、第４層９２の厚さより薄いことが好ましい。第４層９２よりもｎ型不純物濃度が高い第３層９１の厚さを薄くすることにより、第２超格子層９０の結晶性の悪化を低減することができる。
【0037】
［実施形態４］
図６及び図７は、実施形態４の窒化物半導体発光素子の断面図である。
ここで、図６は、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子の断面図であり、図７は、実施形態４－２の窒化物半導体発光素子の断面図である。図６及び図７に示すように、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子及び実施形態４－２の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０は同様に構成されている。
具体的には、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子及び実施形態４－２の窒化物半導体発光素子において、
（ａ）第１ｎ型半導体層２０は、第３超格子層２２と、第３超格子層２２上に配置され、第１ｐ型半導体層３０と接する第１接合層２１とを含み、
（ｂ）第１ｐ型半導体層３０は、第１接合層２１とトンネル接合する第２接合層３１を含む。
そして、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子は、図６に示すように、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０以外は実施形態２の窒化物半導体発光素子と同様に構成されている。また、実施形態４－２の窒化物半導体発光素子は、図７に示すように、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０以外は実施形態３の窒化物半導体発光素子と同様に構成されている。
以下、実施形態４の窒化物半導体発光素子について詳細に説明する。
以下の説明において、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子及び実施形態４－２の窒化物半導体発光素子の共通の構成について包括的に説明する場合は、単に実施形態４の窒化物半導体発光素子と記載する。
図６及び図７は、実施形態４の窒化物半導体発光素子の断面図である。
ここで、図６は、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子の断面図であり、図７は、実施形態４－２の窒化物半導体発光素子の断面図である。図６及び図７に示すように、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子及び実施形態４－２の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０は同様に構成されている。
具体的には、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子及び実施形態４－２の窒化物半導体発光素子において、
（ａ）第１ｎ型半導体層２０は、第３超格子層２２と、第３超格子層２２上に配置され、第１ｐ型半導体層３０と接する第１接合層２１とを含み、
（ｂ）第１ｐ型半導体層３０は、第１接合層２１とトンネル接合する第２接合層３１を含む。
そして、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子は、図６に示すように、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０以外は実施形態２の窒化物半導体発光素子と同様に構成されている。また、実施形態４－２の窒化物半導体発光素子は、図７に示すように、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０以外は実施形態３の窒化物半導体発光素子と同様に構成されている。
以下、実施形態４の窒化物半導体発光素子について詳細に説明する。
以下の説明において、実施形態４－１の窒化物半導体発光素子及び実施形態４－２の窒化物半導体発光素子の共通の構成について包括的に説明する場合は、単に実施形態４の窒化物半導体発光素子と記載する。
【0038】
実施形態１等で上述したように、第１ｎ型半導体層２０は第１ｐ型半導体層３０とトンネル接合する層を含み、第１ｐ型半導体層３０は第１ｎ型半導体層２０とトンネル接合する層とを含み、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とはトンネル接合していることが好ましい。ここで、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とをトンネル接合させた場合に、順方向電圧Ｖｆを悪化させることなく、低くすることが好ましい。そこで、実施形態４の窒化物半導体発光素子は、第１ｎ型半導体層２０及び第１ｐ型半導体層３０がそれぞれトンネル接合する層を含み、さらに、第１ｎ型半導体層２０において第２ｐ型半導体層とトンネル接合する層の基板１０側に超格子層を配置している。
すなわち、図６及び図７を参照して上述したように、実施形態４の窒化物半導体発光素子は、（ａ）第１ｎ型半導体層２０が、第３超格子層２２と、第３超格子層２２上に配置され、第１ｐ型半導体層３０と接する第１接合層２１とを含み、（ｂ）第１ｐ型半導体層３０が、第１接合層２１とトンネル接合する第２接合層３１を含んでいる。
すなわち、図６及び図７を参照して上述したように、実施形態４の窒化物半導体発光素子は、（ａ）第１ｎ型半導体層２０が、第３超格子層２２と、第３超格子層２２上に配置され、第１ｐ型半導体層３０と接する第１接合層２１とを含み、（ｂ）第１ｐ型半導体層３０が、第１接合層２１とトンネル接合する第２接合層３１を含んでいる。
【0039】
具体的には、図６及び図７に示すように、実施形態４の窒化物半導体発光素子において、第１ｎ型半導体層２０は、基板１０側から順に、ｎ型コンタクト層２３と、第３超格子層２２と、第１接合層２１と、を含む。ここで、第１接合層２１は、第１ｎ型半導体層２０において第１ｐ型半導体層３０側の最上層に位置する。また、実施形態４の窒化物半導体発光素子において、第１ｐ型半導体層３０は、基板１０側から順に、第２接合層３１と、第３ｐ型半導体層３２と、を含む。ここで、第２接合層３１は、第１ｐ型半導体層３０において、第１ｎ型半導体層２０側に位置し、第１接合層２１とトンネル接合する層である。
【0040】
以上のように構成された実施形態４の窒化物半導体発光素子は、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０とをトンネル接合させ、さらに第１ｎ型半導体層２０が第３超格子層２２を含んでいる。これにより、トンネル接合をさせる層で生成したキャリアを効果的に発光に寄与させて、順方向電圧Ｖｆを低くすることができる。
具体的には以下のような理由で順方向電圧Ｖｆを低くすることができると考えられる。
通常、トンネル接合させる層である第１接合層２１と第２接合層３１は、後述するように他の層に比較して不純物濃度は高く設定される。
したがって、他の層よりも高い不純物濃度である第１接合層２１と第２接合層３１を用いることで、他の層に比較して多くのキャリアが生成されて順方向電圧Ｖｆを低くすることができる。
しかしながら、他の層よりも高い不純物濃度である第１接合層２１と第２接合層３１を用いることでより多く生成したキャリアを効果的に発光に寄与させることができずむしろ順方向電圧Ｖｆが高くなることもある。
本発明者らは、多く生成したキャリアを効果的に発光に寄与させることができていない理由は第１接合層２１及び第２接合層３１に存在する欠陥にあるのではないかと推測した。
具体的には、第１接合層２１及び第２接合層３１に存在する欠陥により生成されたキャリアがトラップされるためキャリアを効果的に発光に寄与させることができていないと考えた。
そこで、第１接合層２１及び第２接合層３１に生じる欠陥を減らすために第１ｎ型半導体層２０に第３超格子層２２を配置したところ順方向電圧Ｖｆを低くすることができ、実施形態４の窒化物半導体発光素子に係る発明をなすに至った。
以下、実施形態４の窒化物半導体発光素子における、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０の構成についてより詳細に説明する。
具体的には以下のような理由で順方向電圧Ｖｆを低くすることができると考えられる。
通常、トンネル接合させる層である第１接合層２１と第２接合層３１は、後述するように他の層に比較して不純物濃度は高く設定される。
したがって、他の層よりも高い不純物濃度である第１接合層２１と第２接合層３１を用いることで、他の層に比較して多くのキャリアが生成されて順方向電圧Ｖｆを低くすることができる。
しかしながら、他の層よりも高い不純物濃度である第１接合層２１と第２接合層３１を用いることでより多く生成したキャリアを効果的に発光に寄与させることができずむしろ順方向電圧Ｖｆが高くなることもある。
本発明者らは、多く生成したキャリアを効果的に発光に寄与させることができていない理由は第１接合層２１及び第２接合層３１に存在する欠陥にあるのではないかと推測した。
具体的には、第１接合層２１及び第２接合層３１に存在する欠陥により生成されたキャリアがトラップされるためキャリアを効果的に発光に寄与させることができていないと考えた。
そこで、第１接合層２１及び第２接合層３１に生じる欠陥を減らすために第１ｎ型半導体層２０に第３超格子層２２を配置したところ順方向電圧Ｖｆを低くすることができ、実施形態４の窒化物半導体発光素子に係る発明をなすに至った。
以下、実施形態４の窒化物半導体発光素子における、第１ｎ型半導体層２０と第１ｐ型半導体層３０の構成についてより詳細に説明する。
【0041】
＜第１ｎ型半導体層２０＞
実施形態４の窒化物半導体発光素子において、上述したように、第１ｎ型半導体層２０は、基板１０側から順に、ｎ型コンタクト層２３と、第３超格子層２２と、第１接合層２１と、を含む。
実施形態４の窒化物半導体発光素子において、上述したように、第１ｎ型半導体層２０は、基板１０側から順に、ｎ型コンタクト層２３と、第３超格子層２２と、第１接合層２１と、を含む。
【0042】
（ｎ型コンタクト層２３）
ｎ型コンタクト層２３は、第１電極１１が形成される層であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、ｎ型コンタクト層２３を構成する窒化物半導体は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、ｎ型コンタクト層２３を構成する窒化物半導体は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
ｎ型コンタクト層２３のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｎ型不純物であるＳｉを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｎ型ＧａＮ層により構成することができる。
ｎ型コンタクト層２３は、第１電極１１が形成される層であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物を含有する窒化物半導体層により構成することができる。例えば、第１活性層５０がＩｎを含む窒化物半導体層により構成されている場合、ｎ型コンタクト層２３を構成する窒化物半導体は、例えばｎ型ＧａＮ層であり、Ｉｎ及びＡｌなどを含んでいてよい。また、例えば、第１活性層５０がＡｌを含む窒化物半導体により構成されている場合、ｎ型コンタクト層２３を構成する窒化物半導体は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層であり、さらにＩｎを含んでいてよい。
ｎ型コンタクト層２３のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｎ型不純物であるＳｉを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｎ型ＧａＮ層により構成することができる。
【0043】
（第３超格子層２２）
第３超格子層２２は、トンネル接合される第１接合層２１及び第２接合層３１における欠陥を低減するための層であり、ｎ型コンタクト層２３と第１接合層２１の間に配置される。
第３超格子層２２は、第５層と第６層とを有する。第５層と第６層とは、交互に積層され、第５層の格子定数と第６層の格子定数とは異なる。ｎ型コンタクト層２３と第１接合層２１の間に、第３超格子層２２を配置することで、ｎ型コンタクト層２３上に第１接合層２１を接触させて配置した場合に比較して、第１接合層２１における格子欠陥を低減することができる。第５層及び第６層の組成は、例えば、ｎ型コンタクト層２３、第１接合層２１、及び第２接合層３１の組成またはバンドギャップを考慮して設定することができる。例えば、ｎ型コンタクト層２３、第１接合層２１及び第２接合層３１がＧａＮ層により構成されている場合は、第５層をＧａＮ層により構成し、第６層をＩｎＧａＮ層により構成することができる。また、ｎ型コンタクト層２３、第１接合層２１及び第２接合層３１がＧａＮ層により構成されている場合、第５層及び第６層をいずれもＩｎＧａＮ層により構成して、第５層と第６層のＩｎ組成比を異なるようにしてもよい。
第３超格子層２２は、トンネル接合される第１接合層２１及び第２接合層３１における欠陥を低減するための層であり、ｎ型コンタクト層２３と第１接合層２１の間に配置される。
第３超格子層２２は、第５層と第６層とを有する。第５層と第６層とは、交互に積層され、第５層の格子定数と第６層の格子定数とは異なる。ｎ型コンタクト層２３と第１接合層２１の間に、第３超格子層２２を配置することで、ｎ型コンタクト層２３上に第１接合層２１を接触させて配置した場合に比較して、第１接合層２１における格子欠陥を低減することができる。第５層及び第６層の組成は、例えば、ｎ型コンタクト層２３、第１接合層２１、及び第２接合層３１の組成またはバンドギャップを考慮して設定することができる。例えば、ｎ型コンタクト層２３、第１接合層２１及び第２接合層３１がＧａＮ層により構成されている場合は、第５層をＧａＮ層により構成し、第６層をＩｎＧａＮ層により構成することができる。また、ｎ型コンタクト層２３、第１接合層２１及び第２接合層３１がＧａＮ層により構成されている場合、第５層及び第６層をいずれもＩｎＧａＮ層により構成して、第５層と第６層のＩｎ組成比を異なるようにしてもよい。
【0044】
第３超格子層２２はｎ型不純物を含んでいてもよく、第３超格子層２２がｎ型不純物を含むことにより、ｎ型コンタクト層２３から第１接合層２１への電子の供給を効率的にできる。第３超格子層２２がｎ型不純物を含む場合、第５層及び第６層のいずれか一方または両方の層がｎ型不純物を含んでいてもよい。第３超格子層２２がｎ型不純物を含む場合、第３超格子層２２のｎ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以下であることが好ましい。例えば、実施形態４－２の窒化物半導体素子では、第３超格子層２２のｎ型不純物濃度は、第２超格子層のｎ型不純物濃度より低くすることが好ましい。ここで、第３超格子層２２のｎ型不純物濃度とは、第３超格子層２２全体のｎ型不純物濃度の平均値をいう。
【0045】
第３超格子層２２の厚さは、第１接合層２１及び第２接合層３１に対して所望の欠陥低減効果が得られる限り薄くすることが好ましく、例えば、第３超格子層２２の厚さを第１超格子層４０の厚さよりも薄くすることが好ましい。第３超格子層２２の厚さを薄くすることにより、トンネル接合を介する第１ｐ型半導体層３０へのキャリア注入を低下させることなく良好にできる。
すなわち、第３超格子層２２を配置した場合、超格子層を起点としてＶピットが形成される恐れがあり、Ｖピットが形成された場合でも第３超格子層２２を薄くすることによりＶピットが形成されることによる第１ｐ型半導体層３０へのキャリア注入の低下を抑制することができる。
具体的には、第３超格子層２２を厚く配置し、第３超格子層２２を起点としてＶピットが形成された場合、第３超格子層２２に形成されたＶピットによる影響は大きくなり、トンネル接合界面の平坦性が低下し、トンネル効果を効率よく得ることが難しい。すなわち、トンネル効果を効率よく得るためにはトンネル接合界面には一定以上の平坦性が必要であり、トンネル接合界面にその一定以上の平坦性がなくなるとトンネル効果が低下する。したがって、トンネル効果を効率よく得るためには、第３超格子層２２を起点としてＶピットが形成された場合であっても、トンネル接合界面に一定以上の平坦性を確保できるようＶピットによる影響を抑える必要があり、そのためには第３超格子層２２の厚さを薄くすることが好ましい。
すなわち、第３超格子層２２を配置した場合、超格子層を起点としてＶピットが形成される恐れがあり、Ｖピットが形成された場合でも第３超格子層２２を薄くすることによりＶピットが形成されることによる第１ｐ型半導体層３０へのキャリア注入の低下を抑制することができる。
具体的には、第３超格子層２２を厚く配置し、第３超格子層２２を起点としてＶピットが形成された場合、第３超格子層２２に形成されたＶピットによる影響は大きくなり、トンネル接合界面の平坦性が低下し、トンネル効果を効率よく得ることが難しい。すなわち、トンネル効果を効率よく得るためにはトンネル接合界面には一定以上の平坦性が必要であり、トンネル接合界面にその一定以上の平坦性がなくなるとトンネル効果が低下する。したがって、トンネル効果を効率よく得るためには、第３超格子層２２を起点としてＶピットが形成された場合であっても、トンネル接合界面に一定以上の平坦性を確保できるようＶピットによる影響を抑える必要があり、そのためには第３超格子層２２の厚さを薄くすることが好ましい。
【0046】
上述のように、例えば、第３超格子層２２の厚さは、第１超格子層４０の厚さよりも薄くすることが好ましい。第３超格子層２２の厚さは、例えば、第５層の厚さと第６層の厚さをそれぞれ調整すること、及び、第５層と第６層を含むペアの数を調整することにより変更することができる。
例えば、第１超格子層４０が、第１層４１と第２層４２を含むペアをｎペア含み、第３超格子層２２が、第５層と第６層を含むペアをｍペア含む場合の例を挙げる。ここで、ｎ及びｍは、１以上の整数である。例えば、第１超格子層４０の第１層４１の厚さと第３超格子層２２の第５層の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることできる。第１超格子層４０の第２層４２の厚さと第３超格子層２２の第６層の厚さは、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることできる。例えば、第１超格子層４０におけるペア数ｎを１６以上６０以下とし、第３超格子層２２におけるペア数ｍを３以上１５以下とすることができる。上述の厚さの範囲及びペア数の範囲で、第１超格子層４０及び第３超格子層２２の厚さをそれぞれ調整し、第３超格子層２２の厚さを第１超格子層４０の厚さよりも薄くすることができる。
例えば、第１層４１と第５層を同じ厚さとし、第２層４２と第６層を同じ厚さとし、第３超格子層２２のペア数ｍを、第１超格子層４０のペア数ｎよりも小さくする。これにより、第３超格子層２２の厚さを第１超格子層４０の厚さよりも薄くすることができる。
また、第１超格子層４０の第１層４１と第３超格子層２２の第５層をＧａＮ層とし、第１超格子層４０の第２層４２と第３超格子層２２の第６層をＩｎＧａＮ層とした場合、例えば、ＧａＮ層からなる第１層４１と第５層の厚さを、第２層４２と第６層の厚さより厚くする。
例えば、第１超格子層４０が、第１層４１と第２層４２を含むペアをｎペア含み、第３超格子層２２が、第５層と第６層を含むペアをｍペア含む場合の例を挙げる。ここで、ｎ及びｍは、１以上の整数である。例えば、第１超格子層４０の第１層４１の厚さと第３超格子層２２の第５層の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることできる。第１超格子層４０の第２層４２の厚さと第３超格子層２２の第６層の厚さは、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることできる。例えば、第１超格子層４０におけるペア数ｎを１６以上６０以下とし、第３超格子層２２におけるペア数ｍを３以上１５以下とすることができる。上述の厚さの範囲及びペア数の範囲で、第１超格子層４０及び第３超格子層２２の厚さをそれぞれ調整し、第３超格子層２２の厚さを第１超格子層４０の厚さよりも薄くすることができる。
例えば、第１層４１と第５層を同じ厚さとし、第２層４２と第６層を同じ厚さとし、第３超格子層２２のペア数ｍを、第１超格子層４０のペア数ｎよりも小さくする。これにより、第３超格子層２２の厚さを第１超格子層４０の厚さよりも薄くすることができる。
また、第１超格子層４０の第１層４１と第３超格子層２２の第５層をＧａＮ層とし、第１超格子層４０の第２層４２と第３超格子層２２の第６層をＩｎＧａＮ層とした場合、例えば、ＧａＮ層からなる第１層４１と第５層の厚さを、第２層４２と第６層の厚さより厚くする。
【0047】
（第１接合層２１）
第１接合層２１は、例えば、ｎ型不純物が８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層であり、第２接合層３１とトンネル接合する層である。第１接合層２１のｎ型不純物濃度は、ｎ型コンタクト層２３のｎ型不純物濃度よりも高い。
第１接合層２１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第１接合層２１はＩｎを含んでいてもよい。第１接合層２１がＩｎを含んでいることで、第１接合層２１のバンドギャップを小さくでき、トンネル効果を得やすくできる。
また、第１接合層２１は、２以上の層を含んでいてもよく、例えば、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を含んでいてもよい。例えば、ｎ型コンタクト層２３側に配置され、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＧａＮ層と、例えば、厚さが０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のＩｎＧａＮ層を含んでいてもよい。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、例えば、１％以上６％以下である。
第１接合層２１は、例えば、ｎ型不純物が８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層であり、第２接合層３１とトンネル接合する層である。第１接合層２１のｎ型不純物濃度は、ｎ型コンタクト層２３のｎ型不純物濃度よりも高い。
第１接合層２１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第１接合層２１はＩｎを含んでいてもよい。第１接合層２１がＩｎを含んでいることで、第１接合層２１のバンドギャップを小さくでき、トンネル効果を得やすくできる。
また、第１接合層２１は、２以上の層を含んでいてもよく、例えば、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を含んでいてもよい。例えば、ｎ型コンタクト層２３側に配置され、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＧａＮ層と、例えば、厚さが０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のＩｎＧａＮ層を含んでいてもよい。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、例えば、１％以上６％以下である。
【0048】
＜第１ｐ型半導体層３０＞
実施形態４の窒化物半導体発光素子において、第１ｐ型半導体層３０は、基板１０側から順に、第２接合層３１と、第３ｐ型半導体層３２と、を含む。
実施形態４の窒化物半導体発光素子において、第１ｐ型半導体層３０は、基板１０側から順に、第２接合層３１と、第３ｐ型半導体層３２と、を含む。
【0049】
（第２接合層３１）
第２接合層３１は、例えば、ｐ型不純物が８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層であり、第１接合層２１とトンネル接合する層である。第２接合層３１のｐ型不純物濃度は、後述の第３ｐ型半導体層３２のｐ型不純物濃度よりも高い。
第２接合層３１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。また、第２接合層３１は、それぞれ第３ｐ型半導体層３２より高い濃度でｐ型不純物を含む２以上の層を含んでいてもよい。第２接合層３１は、例えば、Ｍｇが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３の濃度でドープされた、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のｐ型ＧａＮ層と、該ｐ型ＧａＮ層より低い濃度（ただし、８×１０１９ｃｍ－３以上３×１０２０ｃｍ－３の濃度範囲内）でＭｇがドープされた、厚さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下のｐ型ＧａＮ層を含んでいてもよい。
第２接合層３１は、例えば、ｐ型不純物が８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３以下の比較的高い濃度でドープされた窒化物半導体層であり、第１接合層２１とトンネル接合する層である。第２接合層３１のｐ型不純物濃度は、後述の第３ｐ型半導体層３２のｐ型不純物濃度よりも高い。
第２接合層３１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。また、第２接合層３１は、それぞれ第３ｐ型半導体層３２より高い濃度でｐ型不純物を含む２以上の層を含んでいてもよい。第２接合層３１は、例えば、Ｍｇが８×１０１９ｃｍ－３以上８×１０２０ｃｍ－３の濃度でドープされた、厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のｐ型ＧａＮ層と、該ｐ型ＧａＮ層より低い濃度（ただし、８×１０１９ｃｍ－３以上３×１０２０ｃｍ－３の濃度範囲内）でＭｇがドープされた、厚さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下のｐ型ＧａＮ層を含んでいてもよい。
【0050】
（第３ｐ型半導体層３２）
第３ｐ型半導体層３２は、第２接合層３１上に配置される、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層である。第３ｐ型半導体層３２のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｐ型不純物であるＭｇを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｐ型ＧａＮ層により構成することができる。
第３ｐ型半導体層３２は、第２接合層３１上に配置される、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層である。第３ｐ型半導体層３２のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが好ましく、例えば、ｐ型不純物であるＭｇを、１×１０１８ｃｍ－3以上１×１０１９ｃｍ－３以下で含むｐ型ＧａＮ層により構成することができる。
【0051】
本開示の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、例えば、以下の態様を含む。
［項１］
第１ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層上に配置され、前記第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、
前記第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、
前記第１超格子層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。
［項２］
前記第１超格子層は、第１層と、前記第１層と格子定数が異なる第２層と、が交互に積層され、
前記第１層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含む項１に記載の窒化物半導体発光素子。
［項３］
前記第２層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含み、
前記第２層のｐ型不純物濃度は、前記第１層のｐ型不純物濃度よりも小さく、
前記第２層のＩｎ組成比は、前記第１層のＩｎ組成比よりも小さい、項２に記載の窒化物半導体発光素子。
［項４］
前記第１層のｐ型不純物濃度は、前記第１ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度よりも小さい項３に記載の窒化物半導体発光素子。
［項５］
前記第１層のｐ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－3以上３×１０１９ｃｍ－3以下である項２～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項６］
前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さより薄い項２～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項７］
前記第２ｎ型半導体層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含む項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項８］
前記第２ｎ型半導体層と前記第２活性層との間に配置された第２超格子層をさらに有する項７に記載の窒化物半導体発光素子。
［項９］
前記第２超格子層は、第３層と、前記第３層と格子定数が異なる第４層と、が交互に積層され、
前記第３層及び前記第４層は、アンドープの層である項８に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１０］
前記第２超格子層は、第３層と、前記第３層と格子定数が異なる第４層と、が交互に積層され、
前記第３層は、ｎ型不純物を含む項８又は９に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１１］
前記第３層は、Ｉｎを含む項８～１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１２］
前記第４層のｎ型不純物濃度は、前記第３層のｎ型不純物濃度よりも小さく、
前記第４層のＩｎ組成比は、前記第３層のＩｎ組成比よりも小さい、項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１３］
前記第３層の厚さは、前記第４層の厚さより薄い項９～１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１４］
前記第１ｎ型半導体層は、第３超格子層と、前記第３超格子層上に配置され、前記第１ｐ型半導体層と接する第１接合層とを含み、
前記第１ｐ型半導体層は、前記第１接合層とトンネル接合する第２接合層を含む、項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１５］
前記第３超格子層の厚さは、前記第１超格子層の厚さよりも薄い項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１６］
前記第３超格子層は、ｎ型不純物を含む項１４又は１５に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１７］
前記第２ｎ型半導体層上に配置され、ｎ型不純物を含む第２超格子層と、
前記第２超格子層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含み、
前記第３超格子層のｎ型不純物濃度は、前記第２超格子層のｎ型不純物濃度より小さい項１４～１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１］
第１ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層上に配置され、前記第１ｎ型半導体層と接する第１ｐ型半導体層と、
前記第１ｐ型半導体層上に配置され、p型不純物を含む第１超格子層と、
前記第１超格子層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置された第２ｎ型半導体層と、
前記第１ｎ型半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第２ｎ型半導体層と電気的に接続された第２電極と、
を含む窒化物半導体発光素子。
［項２］
前記第１超格子層は、第１層と、前記第１層と格子定数が異なる第２層と、が交互に積層され、
前記第１層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含む項１に記載の窒化物半導体発光素子。
［項３］
前記第２層は、Ｉｎ及びｐ型不純物を含み、
前記第２層のｐ型不純物濃度は、前記第１層のｐ型不純物濃度よりも小さく、
前記第２層のＩｎ組成比は、前記第１層のＩｎ組成比よりも小さい、項２に記載の窒化物半導体発光素子。
［項４］
前記第１層のｐ型不純物濃度は、前記第１ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度よりも小さい項３に記載の窒化物半導体発光素子。
［項５］
前記第１層のｐ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－3以上３×１０１９ｃｍ－3以下である項２～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項６］
前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さより薄い項２～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項７］
前記第２ｎ型半導体層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含む項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項８］
前記第２ｎ型半導体層と前記第２活性層との間に配置された第２超格子層をさらに有する項７に記載の窒化物半導体発光素子。
［項９］
前記第２超格子層は、第３層と、前記第３層と格子定数が異なる第４層と、が交互に積層され、
前記第３層及び前記第４層は、アンドープの層である項８に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１０］
前記第２超格子層は、第３層と、前記第３層と格子定数が異なる第４層と、が交互に積層され、
前記第３層は、ｎ型不純物を含む項８又は９に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１１］
前記第３層は、Ｉｎを含む項８～１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１２］
前記第４層のｎ型不純物濃度は、前記第３層のｎ型不純物濃度よりも小さく、
前記第４層のＩｎ組成比は、前記第３層のＩｎ組成比よりも小さい、項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１３］
前記第３層の厚さは、前記第４層の厚さより薄い項９～１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１４］
前記第１ｎ型半導体層は、第３超格子層と、前記第３超格子層上に配置され、前記第１ｐ型半導体層と接する第１接合層とを含み、
前記第１ｐ型半導体層は、前記第１接合層とトンネル接合する第２接合層を含む、項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１５］
前記第３超格子層の厚さは、前記第１超格子層の厚さよりも薄い項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１６］
前記第３超格子層は、ｎ型不純物を含む項１４又は１５に記載の窒化物半導体発光素子。
［項１７］
前記第２ｎ型半導体層上に配置され、ｎ型不純物を含む第２超格子層と、
前記第２超格子層上に配置された第２活性層と、
前記第２活性層上に配置された第２ｐ型半導体層と、
前記第２ｐ型半導体層と電気的に接続された第３電極と、をさらに含み、
前記第３超格子層のｎ型不純物濃度は、前記第２超格子層のｎ型不純物濃度より小さい項１４～１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【符号の説明】
【0052】
１ 第１発光部
２ 第２発光部
１０ 基板
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 第３電極
１３ａ パッド電極
１３ｂ 電極層
２０ 第１ｎ型半導体層
２１ 第１接合層
２２ 第３超格子層
２３ ｎ型コンタクト層
３０ 第１ｐ型半導体層
３１ 第２接合層
３２ 第３ｐ型半導体層
４０ 第１超格子層
５０ 第１活性層
６０ 第２ｎ型半導体層
７０ 第２活性層
８０ 第２ｐ型半導体層
９０ 第２超格子層
２ 第２発光部
１０ 基板
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 第３電極
１３ａ パッド電極
１３ｂ 電極層
２０ 第１ｎ型半導体層
２１ 第１接合層
２２ 第３超格子層
２３ ｎ型コンタクト層
３０ 第１ｐ型半導体層
３１ 第２接合層
３２ 第３ｐ型半導体層
４０ 第１超格子層
５０ 第１活性層
６０ 第２ｎ型半導体層
７０ 第２活性層
８０ 第２ｐ型半導体層
９０ 第２超格子層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】