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技術 窒化物半導体発光素子

出願人 日機装株式会社
発明者 和田貢稲津哲彦根木大輔
出願日 2018年1月11日 (2年6ヶ月経過) 出願番号 2018-002578
公開日 2019年7月22日 (1年0ヶ月経過) 公開番号 2019-121757
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード トンネルジャンクション n型半導体 フリップ型 拡散パス 回対称 下地構造 吸収係数α 回転対称性
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

通電中の発光出力の低下が小さく寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供する。

解決手段

n型AlGaNによって形成された第1のn型クラッド層30と、第1のn型クラッド層30の上方に位置する多重量子井戸と、多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層70と、p型クラッド層70の上方に位置し、p型クラッド層70にn型の半導体層を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層80と、トンネルジャンクション層80の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素であって、トンネルジャンクション層80と電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層90をさらに含む。

概要

背景

近年、紫外光を出力する発光ダイオードレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている(特許文献1参照。)。

概要

通電中の発光出力の低下が小さく寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供する。n型AlGaNによって形成された第1のn型クラッド層30と、第1のn型クラッド層30の上方に位置する多重量子井戸と、多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層70と、p型クラッド層70の上方に位置し、p型クラッド層70にn型の半導体層を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層80と、トンネルジャンクション層80の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素であって、トンネルジャンクション層80と電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層90をさらに含む。

目的

本発明は、通電中の発光出力の低下が小さく寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供する

効果

実績

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請求項1

n型のAlGaNによって形成された第1のn型クラッド層と、前記第1のn型クラッド層の上方に位置する多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層の上方に位置し、前記p型クラッド層にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層と、前記トンネルジャンクション層の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素子であって、前記トンネルジャンクション層と前記電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層をさらに含む、窒化物半導体発光素子。

請求項2

前記第2のn型クラッド層を形成するAlGaNのAl組成比は、前記第1のn型クラッド層を形成するAlGaNのAl組成比と略等しい、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項3

前記トンネルジャンクション層は、前記p型クラッド層上に位置するp型のAlaInbGa1−a−bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成されたp型層と、前記p型層上に位置するn型のAlcIndGa1−c−dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成されたn型層とを含む、請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項4

前記電極層は、前記第2のn型クラッド層上に、前記多重量子井戸層から発せされた光を反射させる反射電極部と、前記第2のn型クラッド層に電流を供給するコンタクト電極部とを備え、前記反射電極部と前記コンタクト電極部とは、交互に配置されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項5

前記コンタクト電極部は、前記第2のn型クラッド層の上面視において、点状に配置されている、請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項6

前記コンタクト電極部は、前記第2のn型クラッド層に対して、前記反射電極部の前記第2のn型クラッド層に対する接触抵抗よりも小さい接触抵抗を有する、請求項1から5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

前記反射電極部は、アルミニウムを含んで構成されている、請求項6に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項8

前記コンタクト電極部は、チタンニッケル、及びパラジウムのうちのいずれか1つを含んで構成されている、請求項6又は7に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項9

前記反射電極部の表面積は、前記コンタクト電極部の表面積以上である、請求項1から8のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項10

前記反射電極部の前記断面積は、前記電極層の横断面の断面積の50〜90%である、請求項9に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項11

前記トンネルジャンクションは、20nm以下の厚さを有する、請求項1から10のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項12

前記第2のn型クラッド層は、内部に、前記n型クラッド層のSiの添加濃度よりも小さな添加濃度のSiを含む電流拡散層を備える、請求項1から11のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項13

前記電流拡散層のSiの添加濃度は、前記第2のn型クラッド層のSiの添加濃度の略10分の1である、請求項12に記載の窒化物半導体発光素子。

技術分野

0001

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

背景技術

0002

近年、紫外光を出力する発光ダイオードレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている(特許文献1参照。)。

先行技術

0003

特開2015−162631号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に配置された第1のn型窒化物半導体層と、前記第1のn型窒化物半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されたp型窒化物半導体層と、前記p型窒化物半導体層の上面に配置され、前記p型窒化物半導体層との接合トンネルジャンクションである第2のn型窒化物半導体層と、前記第2のn型窒化物半導体層上に配置され、前記p型窒化物半導体層と電気的に接続されるp側電極と、前記第1のn型窒化物半導体層と電気的に接続されるn側電極とを備える。

0005

ところで、中心波長が例えば360nm以下の波長を有する深紫外線発光する窒化物半導体発光素子では、p型窒化物半導体層には、p型のAlGaN系半導体材料が用いられる。このような窒化物半導体発光素子では、活性層へのホール注入効率を高めるために、p型のAlGaNで形成されたp型窒化物半導体層を薄くすることが好ましい。

0006

特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子によると、トンネルジャンクションを構成するp型窒化物半導体層から第2のn型窒化物半導体層までの厚さ、すなわち、活性層から電極までの距離を短くすることが好ましいと考えられる。

0007

一方、窒化物半導体発光素子の通電中に、電極に用いられる金属の原子がp型のAlGaN系半導体中に生じている転位を伝達して活性層側に到達しやすくなり、この結果、窒化物半導体発光素子の発光出力の低下や、寿命の低下を招く虞がある。そして、活性層から電極までの距離が短い場合、通電中の転位の伝達による発光出力の低下や寿命の低下が特に顕著であった。

0008

そこで、本発明は、通電中の発光出力の低下が小さく寿命の長い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

0009

本発明は、上記課題を解決することを目的として、n型AlGaNによって形成された第1のn型クラッド層と、前記第1のn型クラッド層の上方に位置する多重量子井戸と、前記多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層上に位置し、前記p型クラッド層にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層と、前記トンネルジャンクション層の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素子であって、前記トンネルジャンクション層と前記電極層との間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層をさらに含む窒化物半導体発光素子を提供する。

発明の効果

0010

本発明によれば、発光出力の低下が小さく寿命が長い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

0011

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。
図2は、第1の電極層の構成を模式的に示す上面図である。
図3は、図1に示す発光素子から第2のn型クラッド層及び第1の電極層を抜き出して示す部分断面図である。
図4は、pGaN層の厚さと紫外光の透過率との関係を模式的に示すグラフである。
図5は、発光素子からの光の取出し効率を概略的に示す図である。
図6各図は、第1の電極層の構成の変形例を模式的に示す上面図である。
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子の構成を概略的に示す断面図である。
図8は、図7に示す発光素子から第2のn型クラッド層及び第1の電極層を抜き出して示す部分断面図である。

実施例

0012

[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態について、図1から図5を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。なお、以下、本発明を説明するにあたり、「上方」又は「下方」とは、一つの対象物と他の対象物との相対的な位置関係を示すものであり、当該一つの対象物が当該他の対象物に直接的に上側又は下側に配置されているもののみならず、当該一つの対象物が別の第三対象物を介して当該他の対象物に間接的に上側又は下側に配置されているものも含む。

0013

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう。)は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。本実施の形態では、特に、中心波長が200nm〜360nmの深紫外光を発する発光素子1を例に挙げて説明する。

0014

図1に示すように、発光素子1は、基板10と、バッファ層20と、第1のn型クラッド層30と、中間層40と、多重量子井戸層を含む活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、トンネルジャンクション80と、第2のn型クラッド層90と、カソード電極200と、アノード電極100とを含んで構成されている。

0015

発光素子1を構成する半導体には、例えば、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素(B)、タリウム(Tl)等で置き換えても良く、また、Nの一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置き換えても良い。

0016

基板10は、発光素子1が発する深紫外光に対して透光性を有している。基板10は、例えば、サファイア(Al2O3)を含むサファイア基板である。基板10には、サファイア(Al2O3)基板の他に、例えば、窒化アルミニウム(AlN)基板や、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板を用いてもよい。

0017

バッファ層20は、基板10上に形成されている。バッファ層20は、AlN層22と、AlN層22上に形成されるアンドープのu−AlpGa1−pN層24(0≦p≦1)を含んで構成されている。また、基板10及びバッファ層20は、下地構造部2を構成する。なお、u−AlpGa1−pN層24は、必ずしも設けなくてもよい。

0018

第1のn型クラッド層30は、下地構造部2上に形成されている。第1のn型クラッド層30は、n型のAlGaN(以下、単に「n型AlGaN」ともいう。)により形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAlqGa1−qN層(0≦q≦1)である。なお、n型の不純物としては、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)等を用いてもよい。第1のn型クラッド層30は、1μm〜3μm程度の厚さを有し、例えば、2μm程度の厚さを有している。第1のn型クラッド層30は、単層でもよく、多層構造でもよい。

0019

中間層40は、第1のn型クラッド層30上に形成されている。中間層40は、少なくともシリコン(Si)、アルミニウム(Al)および窒素(N)を含む層であり、例えば、不純物としてSiがドープされたAlGaN層である。

0020

多重量子井戸層を含む活性層50は、中間層40上に形成されている。活性層50は、AlrGa1−rNを含んで構成される多重量子井戸層の中間層40側の障壁層52a、及び後述する電子ブロック層60側の障壁層52cを含む3層の障壁層52a,52b,52cとAlsGa1−sNを含んで構成される3層の井戸層54a,54b,54c(0≦r≦1、0≦s≦1、r>s)とを交互に積層した多重量子井戸層を含む層である。活性層50は、波長360nm以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが3.4eV以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、活性層50に障壁層52及び井戸層54は各3層ずつ設けたが、必ずしも3層に限定されるものではなく、2層でもよく、4層以上でもよい。

0021

電子ブロック層60は、活性層50上に形成されている。電子ブロック層60は、p型のAlGaN(以下、単に「p型AlGaN」ともいう。)により形成されている。電子ブロック層60は、1nm〜10nm程度の厚さを有している。なお、電子ブロック層60は、AlNにより形成された層を含んでもよい。また、電子ブロック層60は、必ずしもp型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。

0022

p型クラッド層70は、電子ブロック層60上に形成されている。すなわち、p型クラッド層70は、電子ブロック層60を介して多重量子井戸層の上方に位置している。p型クラッド層70は、p型AlGaNにより形成される層であり、例えば、p型の不純物としてマグネシウム(Mg)がドープされたAltGa1-tN層(0≦t≦1)である。なお、p型の不純物としては、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いてもよい。

0023

トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70上に形成されている。トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70と後述するn型半導体層としての第2のn型クラッド層90とをトンネル接合させるものである。すなわち、トンネルジャンクション80は、p型半導体価電子帯の電子をn型半導体の伝導体トンネルさせることで、p型半導体の価電子帯に正孔を発生させるものである。

0024

トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70側に位置するp型層82と、第2のn型クラッド層90側に位置するn型層84とを含んで構成されている。p型層82は、例えば、Mg等の不純物が高濃度にドープされたp型のGaN(以下、「pGaN」ともいう。)により形成されたpGaN層である。なお、p型層82を形成する半導体材料は、必ずしもpGaNに限定されるものではなく、例えば、p型AlGaNや、p型のInGaN、あるいはp型のAlInGaNでもよい。p型層82にAlが含まれる場合、Al組成比は、好ましくは、0.2以下である。p型層82にInが含まれる場合、In組成比は、好ましくは、0.2以下である。換言すれば、p型層82は、p型のAlaInbGa1−a−bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成された層である。

0025

n型層84は、Si等の不純物がドープされたn型のGaNにより形成されたnGaN層である。なお、n型層84を形成する半導体材料は、必ずしもnGaNに限定されるものではなく、例えば、n型AlGaNや、n型のInGaN、あるいはn型のAlInGaNでもよい。n型層84にAlが含まれる場合、Al組成比は、好ましくは、0.2以下である。n型層84にInが含まれる場合、In組成比は、好ましくは、0.2以下である。換言すれば、n型層84は、n型のAlcIndGa1−c−dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成された層である。

0026

また、pGaN層のp型層82及びnGaN層のn型層84はともに、紫外光の一部を吸収する性質を有している。詳細は、後述する。

0027

p型層82の厚さは、好ましくは、10nm以下、より好ましくは、5nm以下である。また、p型層82と同様にn型層84の厚さは、好ましくは、10nm以下、より好ましくは、5nm以下である。換言すれば、トンネルジャンクション80の厚さは、好ましくは、20nm以下、より好ましくは、10nm以下である。

0028

トンネルジャンクション80上には、第2のn型クラッド層90が形成されている。すなわち、第2のn型クラッド層90は、トンネルジャンクション80を介してp型クラッド層70の上方に位置している。第2のn型クラッド層90は、後述するコンタクト電極部122から流れる電流を横方向に伝導して拡散する層である。ここで、「横方向」とは、第2のn型クラッド層90の厚さ方向に直行する方向をいう。詳細は、後述する。

0029

第2のn型クラッド層90は、n型の半導体を含む層(以下、「n型半導体層」ともいう。)である。具体的には、第2のn型クラッド層90は、n型AlGaNにより形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAluGa1−uN層(0≦u≦1)である。好ましくは、第2のn型クラッド層90を構成するn型AlGaNの組成は、第1のn型クラッド層30を構成するn型AlGaNの組成と略等しい、すなわち、q=uである。また、第2のn型クラッド層90は、上述のpGaN層と比較して、活性層50からの発せられる紫外光の吸収量が非常に少なく、第2のn型クラッド層90の紫外光の吸収量は、0.1%以下である。

0030

カソード電極200は、第1のn型クラッド層30の一部の領域上に形成されている。カソード電極200は、例えば、第1のn型クラッド層30の上に順にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成される。

0031

アノード電極100は、第2のn型クラッド層90の上に形成されている。アノード電極100は、反射電極部124と、コンタクト電極部122とを含む第1の電極層120と、アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成された第2の電極層140とを含む。第1の電極層120は、電極層の一例である。なお、第2の電極層140は、必ずしもアルミニウム(Al)層を含まなくてもよい。

0032

反射電極部124は、多重量子井戸層から発せられた紫外光を第2のn型クラッド層90側の面において反射させる。好ましくは、反射電極部124は、紫外光に対して反射率の高い材料を含んで構成されている。例えば、反射電極部124は、Al等の金属を含んで構成されている。なお、紫外光に対するAlの反射率は、約90%である。

0033

コンタクト電極部122は、第2のn型クラッド層90に電流を供給する電極部である。コンタクト電極部122は、反射電極部124と異なる材料により形成されている。好ましくは、コンタクト電極部122は、第2のn型クラッド層90に対して、反射電極部124の第2のn型クラッド層90に対する接触抵抗よりも小さい接触抵抗を有する材料により形成される。このようにすることにより、アノード電極100の紫外光に対する反射率を高くすることを追求して、反射電極部124に紫外光に対する高い反射率を有する材料を選択したことにより、第2のn型クラッド層90に対する接触抵抗が大きくなったとしても、アノード電極100に電流が流れにくくなることを抑制することが期待できる。具体的には、コンタクト電極部122は、Ti等の金属を含んで構成される。コンタクト電極部122の素材は、Tiに限定されるものではなく、Niやパラジウム(Pd)やITO(Indium Tin Oxide)でもよい。

0034

なお、説明の便宜上、反射電極部124及びコンタクト電極部122は、それぞれ3つずつ設けたが、必ずしも3つに限定されるものではなく、2つでもよく、4つ以上でもよい。また、反射電極部124の数とコンタクト電極部122の数とが異なっていてもよい。

0035

図2は、第1の電極層120の構成を模式的に示す上面図である。反射電極部124と、コンタクト電極部122とは、空間的に分離して設けられている。ここで、「空間的に分離して設ける」とは、第2のn型クラッド層90の上面において反射電極部124と、コンタクト電極部122とが互いに異なる位置に設けることをいう。「空間的に分離して設ける」には、反射電極部124と、コンタクト電極部122とが所定の間隔をおいて並んでいる構成のみならず、反射電極部124と、コンタクト電極部122とが隙間なく並んでいる構成等も含まれる。具体的には、図1及び図2に示すように、反射電極部124と、コンタクト電極部122とは、第2のn型クラッド層90の上面視において、状(ストライプ状)になるように交互に配置されている。

0036

好ましくは、反射電極部124の上面の表面積(以下、「反射電極部124の面積」ともいう。)は、コンタクト電極部122の上面の表面積(以下、「コンタクト電極部122の面積」ともいう。)以上である。このようにすることで、多重量子井戸層から発せられた紫外光をより多く反射させ、紫外光の取出し効率が向上することが期待できるからである。

0037

一方で、反射電極部124の真下には電流が拡散しにくくなることから、より効率よく電流を拡散するためには、好ましくは、反射電極部124の面積は所定の値以下である。以上により、具体的には、反射電極部124の面積は、第1の電極層120の面積の50〜90%である。第1の電極層120の面積とは、反射電極部124の面積及びコンタクト電極部122の面積の合計値である。なお、ここで、「面積」とは、第1の電極層120を構成する反射電極部124又はコンタクト電極部122の総面積をいう。

0038

(面内の発光の均一化)
図3は、図1に示す発光素子から第2のn型クラッド層90及び第1の電極層120を抜き出して示す部分断面図であり、電流の拡散を模式的に示す概念図である。図3内の矢印は、電流の流れを示している。図3に示すように、反射電極部124は、接触抵抗の高いAlを含んで構成されているため、電流が流れにくいのに対して、コンタクト電極部122は、接触抵抗の低いTiを含んで構成されているため、電流が流れやすい。したがって、コンタクト電極部122から流れる電流は、第2のn型クラッド層90内を通る際、縦方向(厚さ方向)のみならず、横方向(厚さ方向と直行する方向)にも流れやすい。以上のようにして、第1の電極層120から流れる電流が第2のn型クラッド層90内で横方向に拡散して均一化する。

0039

横方向に電流が拡散する長さ(以下、「電流拡散長」ともいう。)は、反射電極部124の幅(「W」参照。)の約1/2倍、すなわち1/2×Wである。換言すれば、横方向の電流拡散長さは、互いに最も近い位置に位置するコンタクト電極部122間の距離の1/2である。また、好ましくは、横方向の電流拡散長は、第2のn型クラッド層90の厚さ(「d」参照。)の10倍以下である。つまり、好ましくは、反射電極部124の幅Wは、第2のn型クラッド層90の厚さの20倍以下である(すなわち、W≦20×d)。より好ましくは、第2のn型クラッド層90の厚さdが0.5μm程度のとき、反射電極部124の幅Wは、4.0μm程度、コンタクト電極部122の幅は、2.0μm程度である。また、この場合、第1の電極層120の面積に対する反射電極部124の比率は、約60%である。

0040

第1の電極層120から流れる電流が第2のn型クラッド層90内で横方向に拡散して均一化することにより、活性層50の多重量子井戸層に空間的に均一にキャリア注入されるようになり、その結果、面内の発光の不均一性が抑制され、面内で均一に発光させることができる。また、面内で均一に発光する結果、発光素子1の劣化度合いが発光素子1内において空間的に偏ることが抑制されるため、発光素子の寿命を長くできることが期待できる。

0041

(光の取出し効率の向上)
次に、図4及び図5を参照して、発光素子1からの光の取出し効率について説明する。図4は、pGaN層の厚さと紫外光の透過率との関係を模式的に示すグラフである。図5は、発光素子からの光の取出し効率を概略的に示す図である。以下では、説明の便宜上、フリップ型の発光素子1において、反射電極部124の面積とコンタクト電極部122の面積とが略等しい構成を例に挙げて説明する。また、特に記載のない限り、p型層82の厚さ及びn型層84の厚さをともに10nmとして説明する。

0042

図4に示すグラフの横軸は、p型層82を構成するpGaN層の厚さ(nm)を示し、縦軸は、このpGaN層に入射した紫外光がpGaN層を透過する透過率(%)を示している。なお、図4は、一例として、波長280nmの紫外光のpGaN層に対する透過率(%)を示している。

0043

pGaN層は、紫外光を一部吸収する。pGaN層に入射された紫外光は、pGaN層に吸収されなかった残りがpGaN層を透過する。図4に示すように、pGaN層に対する紫外光の透過率Pは、pGaN層の厚さt(nm)及び吸収係数α(nm−1)を用いて以下の関係式で示される。
P=exp(−α×t)
ここで、
α=1.7x10−2
なお、このαの値は、波長280nmの紫外光に対する値の一例である。また、expは、自然対数の底である。

0044

図4に示すように、例えば、pGaN層に対する波長280nmの紫外光の透過率は、pGaN層の厚さが40nmのとき約50%(約50%吸収)であり、pGaN層の厚さが10nmのとき約84%(約16%吸収)である。

0045

図5に示すように、活性層50の多重量子井戸層から発せられた紫外光は、発光素子1の上下(図1図示上下方向)に約50%ずつ伝達する。このうち上方に向かう紫外光は、トンネルジャンクション80を通過するとき、トンネルジャンクション80を構成するp型層82(pGaN層)により一部吸収される。上述のように、p型層82の厚さが10nmの場合、約84%の紫外光が透過する。すなわち、多重量子井戸層から発せられ上方に向かう紫外光のうち42%(50%x84%)がトンネルジャンクション80を透過する。

0046

トンネルジャンクション80を透過した紫外光は、第1の電極層120で反射される。反射電極部124の面積が第1の電極層120の50%で、反射電極部124の反射率が90%とすると、多重量子井戸層から発せられ上方に向かう紫外光のうち約19%(42%x50%x90%)が第1の電極層120により反射する。

0047

第1の電極層120により反射された紫外光は、再び下方に向かい、トンネルジャンクション80を通過する。上述のとおり、トンネルジャンクション80の紫外光の透過率は、約84%であるため、上記第1の電極層120により反射した19%の紫外光のうちの84%、すなわち、16%(19%x84%)の紫外光が下側に伝達する。換言すれば、多重量子井戸層から発せられた紫外光のうち16%を取出すことができる。

0048

<変形例>
図6各図は、第1の電極層120の構成の変形例を模式的に示す上面図である。例えば、図6(a),(b)に示すように、上面視において円形状のコンタクト電極部122を点状(ドット状)に配置したうえで、反射電極部124をコンタクト電極部122の周囲に配置してもよい。また、図6(a),(b)に示すように、コンタクト電極部122は、回転対称性を有するように配置してもよい(4回対称図6(a))、6回対称(図6(b)))。なお、図6(a),(b)において、説明の便宜上、反射電極部124とコンタクト電極部122とを視覚的に容易に区別できるようにするために、反射電極部124を白色で示し、コンタクト電極部122を黒色で示した。

0049

一例として、図6(b)に示す6回対称の対称性を有する配置において、第2のn型クラッド層90の厚さdを1.0μmとしたとき、コンタクト電極部122の直径を4.0μm程度、コンタクト電極部122の中心間距離を8.0μm程度とすることができる。この場合、第1の電極層120の面積に対する反射電極部124の比率は、約77.3%である。なお、コンタクト電極部122の断面形状は、上述した円形状のものに限られるものではなく、楕円形多角形でもよい。

0050

(第1の実施の形態及び変形例の作用及び効果)
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態及び変形例に係る発光素子1では、n型AlGaNにより形成された第1のn型クラッド層30と、この第1のn型クラッド層30の上方に位置する多重量子井戸層と、この多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層70と、p型クラッド層70上に位置し、p型クラッド層70にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション80と、トンネルジャンクション80上に位置し、第1のn型クラッド層30を形成するAlGaNのAl組成比と略等しいAl組成比を有するAlGaNからなる第2のn型クラッド層90と、第2のn型クラッド層90の上方に位置して、重量子井戸層から発せされた光を反射させる反射電極部124と、反射電極部124と空間的に分離して設けられ、反射電極部124と異なる材料により形成されたコンタクト電極部122とを含む第1の電極層120を備えている。

0051

このように、多重量子井戸と第1の電極層120との間に、第2のn型クラッド層90を挿入することにより、多重量子井戸と第1の電極層120との間の距離を大きくすることができるので、発光素子の使用中に発生する、第1の電極層120中の金属原子の多重量子井戸への拡散が抑制され、この結果、発光素子1の発光出力の低下を小さくするとともに、その寿命を長くすることができる。

0052

さらに、第2のn型クラッド層90のAl組成が、第1のn型クラッド層30のAl組成比と略同一であるため、第2のn型クラッド層90の結晶性が良くなり、金属原子の拡散パスとなる転位が少なくなり、金属原子の拡散を抑えられるため、発光素子1の発光出力の低下を小さくするとともに、その寿命を長くすることができる。

0053

さらにまた、上述のような反射電極部124を設けることにより、発光素子1の光の取出し効率を向上させることができるとともに、第2のn型クラッド層90中で電流を横方向に拡散させることにより面内で均一に発光させることが可能となる。

0054

[第2の実施の形態]
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子発光素子の構成を概略的に示す断面図である。第2の実施の形態に係る発光素子1は、第2のn型クラッド層が電流拡散層を備える点で、第1の実施の形態に係る発光素子1と相違する。以下、第1の実施の形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略するとともに、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

0055

図7に示すように、第2のn型クラッド層90は、内部に電流拡散層94を備える。電流拡散層94は、第2のn型クラッド層90のSiの添加濃度よりも小さな添加濃度のSiを含む。電流拡散層94の添加濃度は、好ましくは、第2のn型クラッド層90のSiの添加濃度の10%程度、すなわち、1.0×1018cm−3程度である。このため、電流拡散層94の電気抵抗は、第2のn型クラッド層90の電気抵抗よりも高くなっている。

0056

図8は、図7に示す発光素子1から第2のn型クラッド層90及び第1の電極層120を抜き出して示す部分断面図である。電流拡散層94は、横方向への電流の拡散を促進する層である。図8に示すように、コンタクト電極部122から流れる電流は、電流拡散層94内で横方向にさらに拡散される。また、上述のように、電流拡散層94の電気抵抗は、第2のn型クラッド層90の電気抵抗よりも高いため、この拡散された電流は、電流拡散層94に流入しにくくなる。そのため、第2のn型クラッド層90内での電流の拡散がより促進される。

0057

(第2の実施の形態の作用及び効果)
以上、本発明の第2の実施の形態のようにしても、発光出力の低下を小さくするとともに、発光素子を長寿命化することができ、さらに、発光素子1の光の取出し効率を向上しつつ面内で均一に発光させることが可能となる。また、これに加えて、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子1は、高抵抗の第2の電流拡散層94をさらに備えることにより、電流の拡散がさらに促進されるため、より均一に面内で発光させることが可能となる。

0058

(実施形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

0059

[1]n型のAlGaNによって形成された第1のn型クラッド層と、前記第1のn型クラッド層の上方に位置する多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層の上方に位置し、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層(70)と、前記p型クラッド層(70)の上方に位置し、前記p型クラッド層(70)にn型の半導体を含む層をトンネル接合させるトンネルジャンクション層(80)と、前記トンネルジャンクション層(80)の上方に形成された電極層とを含む窒化物半導体発光素子(1)であって、前記トンネルジャンクション層と前記電極層の間に、n型のAlGaNによって形成された第2のn型クラッド層(90)をさらに含む、窒化物半導体発光素子(1)。
[2]前記第2のn型クラッド層(90)を形成するAlGaNのAl組成比は、前記第1のn型クラッド層(30)を形成するAlGaNのAl組成比と略等しい、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[3]前記トンネルジャンクション層(90)は、前記p型クラッド層(70)上に位置するp型のAlaInbGa1−a−bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成されたp型層(82)と、前記p型層(82)上に位置するn型のAlcIndGa1−c−dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成されたn型層(84)とを含む、前記[1]又は[2]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[4]前記電極層は、前記第2のn型クラッド層(90)上に、前記多重量子井戸層から発せされた光を反射させる反射電極部(124)と、前記第2のn型クラッド層(90)に電流を供給するコンタクト電極部(122)とを備え、前記反射電極部(124)と前記コンタクト電極部122とは、交互に配置されている、前記[1]から[3]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[5]前記コンタクト電極部(122)は、前記第2のn型クラッド層(90)の上面視において、点状に配置されている、前記[4]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[6]前記コンタクト電極部(122)は、前記第2のn型クラッド層(90)に対して、前記反射電極部(124)の前記第2のn型クラッド層(90)に対する接触抵抗よりも小さい接触抵抗を有する、前記[1]から[5]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[7]前記反射電極部(124)は、アルミニウム(Al)を含んで構成されている、前記[6]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[8]前記コンタクト電極部(122)は、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)のうちのいずれ1つかを含んで構成されている、前記[6]又は[7]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[9]前記反射電極部(124)の表面積は、前記コンタクト電極部(122)の表面積以上である、前記[1]から[8]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[10]前記反射電極部(124)の前記断面積は、前記電極層の横断面の断面積の50〜90%である、前記[9]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[11]前記トンネルジャンクション(80)は、20nm以下の厚さを有する、前記[1]から[10]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[12]前記第2のn型クラッド層(90)は、内部に、前記n型クラッド層(90)のSiの添加濃度よりも小さな添加濃度のSiを含む電流拡散層(94)を備える、前記[1]から[11]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[13]前記電流拡散層(94)のSiの添加濃度は、前記第2のn型クラッド層(90)のSiの添加濃度の略10分の1である、前記[12]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。

0060

1…窒化物半導体発光素子(発光素子)
2…下地構造部
10…基板
20…バッファ層
22…AlN層
24…u−AlpGa1−pN層
30…第1のn型クラッド層
40…中間層
50…活性層
52,52a,52b,52c…障壁層
54,54a,54b,54c…井戸層
60…電子ブロック層
70…p型クラッド層
80…トンネルジャンクション
82…p型層
84…n型層
90…第2のn型クラッド層
94…電流拡散層
100…アノード電極
120…第1の電極層
122…コンタクト電極部
124…反射電極部
140…第2の電極層
200…カソード電極
P…透過率
W…反射電極部の幅
d…第2のn型クラッド層の厚さ
α…吸収係数

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