JP2010080741A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】表面プラズモンを確実に利用して改善された発光効率を有する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子では、基板上においてｎ型半導体を含む第１下部層、ｐ型半導体を含む第２下部層、活性層、およびｎ型半導体を含む上部層がこの順に積層されており、基板または第１下部層に接して第１のｎ型用電極が設けられており、上部層上に接して第２のｎ型用電極が設けられており、上部層は４０ｎｍ以下の厚さを有し、上部層に接する第２のｎ型用電極の界面は、活性層から生じた光によって表面プラズモンが励起され得る金属を含むことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体発光素子に関し、とくに表面プラズモンを利用して半導体発光素子の発光効率を向上させる技術に関する。

近年では、半導体発光素子において、表面プラズモンを利用することによって発光効率を向上させる試みがなされている。

図５の模式的な断面図は、特許文献１の特開２００５−１０８９８２号公報に開示された表面プラズモンを利用する窒化物半導体発光ダイオード素子を示している。この窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板５０１上に、ｎ型ＧａＮ層５０２（層厚：約５μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０３（層厚：約０．１５μｍ）、交互に積層された複数のＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を含む多重量子井戸活性層５０４、アンドープＧａＮ保護層５０５（層厚：約１０ｎｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５０６（層厚：約０．１５μｍ）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層５０７（層厚：約０．３μｍ）がこの順に形成されている。

ｐ型ＧａＮコンタクト層５０７上には、Ｐｄ第一電極層５０８（層厚：約１ｎｍ）、Ａｇ第二電極層５０９（層厚：約２ｎｍ）、およびＡｕ保護層５１０（層厚：約１ｎｍ）を含む３層構造を有する複数のアイランド状のｐ型用電極が形成されている。これらのアイランド状のｐ型用電極は２次元的に周期配列されており、具体的には最密六方２次元格子点に配置されている。そして、各ｐ型用電極は、円形の平面形状を有している。他方、基板５０１の下面には、ｎ型用電極５１１が形成されている。

Ａｇの表面プラズモン振動数は光波長の４３０ｎｍ帯付近に対応しており、それよりやや長波長の青色領域の光によって表面プラズモンが励起され得る。特許文献１は、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光層から放射される青色領域の光に対して、電極を所要の周期で配置とすることによって、Ａｇ層界面における表面プラズモンと光波とを結合可能にして発光効率増強効果を得ることを試みている。

ここで、ｐ型用電極に含まれるＰｄ第一電極層５０８は、Ａｇ層５０９がｐ型窒化物半導体に対してオーミック接触を得ることができないので設けられている。すなわち、Ｐｄ第一電極層５０８は、ｐ型用電極のコンタクトを改善するための層であり、Ａｇ層５０９の界面における表面プラズモンの励起を阻害しないように極めて薄く形成されている。

また、非特許文献１のApplied Physics Letters, Vol. 87, 071102 (2005)には、窒化物半導体発光ダイオード素子において、Ａｇ−半導体界面を活性層の近接場内に配置することによって、表面プラズモンと光の結合を有効に行なわせる技術が開示されている。すなわち、この技術は、活性層とＡｇ層との間の半導体層の厚さを極めて薄い１０ｎｍにすることによって効果を生じさせる。そして、非特許文献１では、光ポンピングによる活性層からの発光において、自然放出速度の向上が実際に観測されたことが報告されている。
特開２００５−１０８９８２号公報 K. Okamoto et al., "Surface plasmon enhanced spontaneous emission rate of InGaN/GaN quantum wells probed by time-resolved photoluminescence spectroscopy", Applied Physics Letters, Vol. 87, 071102 (2005).

特許文献１に開示された発光ダイオード素子においては、未だ有効な表面プラズモンによる発光効率増強効果が現実には得られていない。なぜならば、Ａｇ層５０９の界面における表面プラズモンと光との結合を十分に行なわせることが現実的には難しいからである。より具体的には、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０７に対するオーミック接触を得るために、Ａｇ層５０９下にＰｄ金属層５０８を介挿せざるを得ない。このＰｄ層５０８が活性層５０４からの光を吸収し、それによってＡｇ層５０９の界面における表面プラズモン励起が減少させられるのである（図５参照）。

他方、非特許文献１ではＡｇ層を活性層の近接場内に配置するために活性層上の半導体層の厚さを１０ｎｍ程度以下にすることを要するが、この場合には電流注入による活性層の発光自体が困難である。その理由として、非特許文献１では、ｐ型半導体層とＡｇ層とが直に接しており、特許文献１で指摘されているオーミック接触が得られない問題の解決がなされていない。また、窒化物半導体中のｐ型不純物のドーピングにおいては、十分に高いキャリア濃度を得ることがそもそも困難である。そして、厚さ１０ｎｍ程度までの極めて薄い窒化物半導体層に高いｐ型キャリア濃度のドーピングを行なうことが困難であるので、そのｐ型層自身がごく薄いこととあいまって、発光のためのホールを活性層に十分供給できない。このように、Ａｇ層を活性層の近接場内に配置する技術において、良好に電流注入し得るデバイス構造は未だ実現されていない。

上述のような先行技術の状況に鑑み、本発明の目的は、表面プラズモンを確実に利用して改善された発光効率を有する半導体発光素子を提供することである。

本発明による半導体発光素子では、基板上においてｎ型半導体を含む第１下部層、ｐ型半導体を含む第２下部層、活性層、およびｎ型半導体を含む上部層がこの順に積層されており、基板または第１下部層に接して第１のｎ型用電極が設けられており、上部層上に接して第２のｎ型用電極が設けられており、上部層は４０ｎｍ以下の厚さを有し、上部層に接する第２のｎ型用電極の界面は、活性層から生じた光によって表面プラズモンが励起され得る金属を含むことを特徴としている。

なお、活性層から生じた光によって表面プラズモンが励起され得る金属は、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌのいずれかを主成分として含むことが好ましい。第１のｎ型用電極はアノード電極であり、第２のｎ型用電極はカソード電極であり得る。

また、半導体発光素子は、窒化物半導体発光素子であり得る。第１下部層と第２下部層との間に中間層をさらに含み、この中間層は第１下部層および第２下部層との格子定数差に起因する引っ張り歪を含むことが好ましい。さらに、基板はｎ型導電性基板であり得て、第１のｎ型用電極はそのｎ型導電性基板に接して設けられていることが好ましい。

本発明による半導体発光素子においては、活性層に良好にキャリアを注入でき、かつ表面プラズモンを利用した発光増強効果を得ることができ、それによって高い発光効率を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を模式的な断面図で示している。この発光素子は、基板１０１上に順次積層された窒化物半導体の第１下部層１０２、窒化物半導体の中間層１０３、窒化物半導体の第２下部層１０４、窒化物半導体の活性層１０５、および窒化物半導体の上部層１０６を含んでいる。

第１下部層１０２の部分的に露出された表面上には第１のｎ型用電極１１０が形成されている。また、上部層１０６上には第２のｎ型用電極１０９が形成されている。

第１下部層１０２は、単数または複数の窒化物半導体層を含み、全体としてｎ型導電性を有している。ここで、全体としてｎ型導電性を有しているとは、ｎ型導電性の層を主として含み、中間や端に薄いアンドープ層などが配置されていても、全体として主に電子が伝導する性質を有することを表している。第２下部層１０４は、単数または複数の窒化物半導体層を含み、全体としてｐ型導電性を有している。ここで、全体としてｐ型導電性を有しているとは、ｐ型導電性の層を主として含み、中間や端に薄いアンドープ層などが配置されていても、全体として主にホールが伝導する性質を有することを表している。上部層１０６は、単数または複数の窒化物半導体層を含み、全体としてｎ型導電性を有している。

第１のｎ型用電極１１０はアノードとして用いられ、第２のｎ型用電極１０９はカソードとして用いられる。すなわち、発光素子の動作時において、第１のｎ型用電極１１０に外部から正電圧が印加され、第２のｎ型用電極１０９には負電圧が印加される。したがって、正電圧から負電圧への電流経路は、第１のｎ型用電極１１０から、全体としてｎ型導電性を有する第１下部層１０２、中間層１０３、全体としてｐ型導電性を有する第２下部層１０４、活性層１０５、および上部層１０６を経て、第２のｎ型用電極１０９までの順路で構成されている。

このように発光素子にバイアスをかけることにより、活性層１０５を挟む全体としてｐ型導電性の第２下部層１０４と全体としてｎ型導電性の上部層１０６とによるｐｎ接合には順バイアスが印加され、通常の発光ダイオードの動作によって発光する。全体としてｐ型導電性の第２下部層１０４に関しては、表面プラズモンと光の結合のために厚やドーピング量が制限されることがない。したがって、第２下部層１０４には十分に高濃度のドーピングを行なうことができ、発光素子の動作時において活性層に十分なホールを供給することが可能である。

全体としてｎ型導電性の上部層１０６は、発光層からの光と第２のｎ型用電極１０９の表面プラズモンとの結合のために、少なくとも４０ｎｍ以下の厚さに制限される必要がある。しかしながら、窒化物半導体中のｎ型不純物のドーピングは、ｐ型の場合に比較して容易である。

より具体的には、窒化物半導体中において、ｐ型不純物（通常Ｍｇ）は所望のキャリア（ホール）濃度を得るために過剰量の不純物をドーピングする必要があり、またＭｇは拡散しやすいので厚さ４０ｎｍ以下のごく薄い層のみに十分なｐ型キャリアを発生させることが困難である。窒化物半導体発光素子においては、活性層にＭｇが拡散（あるいは添加）すれば、活性層の品質が低下するという問題もある。しかしながら、厚さ４０ｎｍ以下のごく薄い上部層１０６で生じさせるキャリアは電子であり、ホールの場合のような問題が遥かに生じにくい。

すなわち、窒化物半導体中において、ｎ型の不純物（通常Ｓｉ）はドーピング量とほぼ同等のキャリア（電子）を発生させ得るし、Ｓｉが活性層に拡散したとしても活性層の品質が低下するという問題を生じにくい。逆に、活性層にＳｉを添加することで、発光効率が向上するとの報告も存在する（Jpn. J. Appl. Phys., Vol.37 (1998) pp.L362-L364）。活性層自体にｎ型不純物をドーピングしても不都合はないし、その場合には複数層の結晶成長時にすばやくドーピングを切り替えるという必要もなくなって発光素子の製造が容易になる。なお、本明細書において、活性層とは、それが多重量子井戸である場合は最下井戸層から最上井戸層までを意味することとし、それが単一量子井戸である場合には井戸層のみを意味することとする。

他方、図１の発光素子においては、中間層１０３を挟む全体としてｐ型導電性の第２下部層１０４と全体としてｎ型導電性の第１下部層１０２とによる付加的ｐｎ接合には逆バイアスが印加される。ここで、通常のｐｎ接合であれば逆バイアス方向に電流が流れにくいが、トンネル電流を有効に流せる構成（トンネル接合）などを利用することによって、付加的ｐｎ接合を通して効率よく電流を流すことができる。そのためには、中間層を挟む付加的ｐｎ接合は、後に例示するような特別の構成にされることが好ましい。

第２のｎ型用電極１０９においては、それが半導体層に接触する界面がＡｇで構成される。また、上部層１０６は、４０ｎｍ以下の厚さに設定される。こうして活性層１０５の近接場内に半導体−Ａｇ界面を配置し、活性層１０５からの光がＡｇ界面の表面プラズモンと容易に結合できるようにする。上部層１０６の厚さは、好ましくは２０ｎｍ以下とし、１０ｎｍが典型的な値とされ得る。

上述のような図１の発光素子の構成によって、電流注入動作時に活性層１０５にホールと電子が効率よく注入できるようになり、活性層からの光が表面プラズモンと結合した表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）がＡｇ界面に形成され得る。すなわち、図１の発光素子では、電流注入によってＳＰＰを有効に発生させることができ、非特許文献１におけるような自然放出レートの増大を実現できて、改善された発光効率を得ることができる。

なお、窒化物半導体層上に形成されたＡｇ層は、通常均質でなくて微視的には粒界を含んだり、界面に微小な凹凸を有している。したがって、発生したＳＰＰは、界面に沿って伝播するうちに変調されて再度光に変換され、その光が外部に取り出される。この事象を考慮すれば、人為的にＡｇ層に凹凸やパターンを設けていてもよい。また、Ａｇ層はｎ型窒化物半導体の上部層１０６と良好なオーミック接触を形成し得るので、これによって活性層へキャリアを良好に注入し得ることも従来技術に対する改善点になる。

活性層１０５の発光波長と第２のｎ型用電極１０９との組み合わせに関して、次のことが考慮され得る。活性層１０５からの光によって第２のｎ型用電極１０９中に生起する表面ポラリトンは金属の表面プラズモン振動数と関係するから、Ａｇ層（表面プラズモン周波数の対応波長約４４０ｎｍ）を用いる場合は、青色領域（波長４４０〜５００ｎｍ）の光を発する活性層に対して特に効果的であり、それよりやや長波長側（波長５００〜６００ｎｍ）の光までに関しては効果を期待し得る。

また、Ａｌ層（表面プラズモン周波数の対応波長約２３０ｎｍ）を用いる場合は、深紫外領域（波長２３０ｎｍ〜３００ｎｍ）光を発する活性層に対して特に効果的で有り、それよりやや長波長側（波長３００〜４００ｎｍ）の光までに関しては効果を期待し得る。

さらに、Ａｕ膜（表面プラズモン周波数の対応波長約５４０ｎｍ）を用いる場合には、緑色〜赤色領域（波長５４０〜６００ｎｍ）の光を発する活性層に対して特に効果的であり、それよりやや長波長側（波長６００〜７００ｎｍ）の光までに関しては効果を期待し得る。

ＡｌとＡｕに関しては、それらのいずれもがｎ型の窒化物半導体に対して良好なオーミック接触を形成し得るので、上述のＡｇの場合と同様に良好な電流注入効果を得ることができる。なお、Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕは、窒化物半導体に限らず一般的に化合物半導体のｎ型層に対して良好なオーミック接触を形成し得るので、窒化物半導体以外の他の化合物半導体に対しても有用である。

また、Ａｇを主成分として他の成分を混合した合金の場合、表面プラズモン振動数がどのように変化するかは不明な点が多くて予測し難いが、最も多い成分としてＡｇを含む第２のｎ型用電極１０９であれば、本発明の効果が期待できるであろう。したがって、本発明においては、第２のｎ型用電極１０９にＡｇ合金層（Ａｇ原子濃度５０％以上）を用いることができる。このことは、第２のｎ型用電極１０９にＡｌ合金層またはＡｕ合金層を用いる場合についても同様である。また、表面プラズモンを励起させる金属としては、これ以外にも、発光波長に対応して適宜に選択することができる。

次に、付加的ｐｎ接合について検討する。まず、基板１０１としてサファイア基板、窒化物半導体基板、または炭化ケイ素基板などの六方晶の結晶基板を用いて、そのＣ面（｛０００１｝面）上に第１下部層１０２、中間層１０３、および第２下部層１０４をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などにより順次エピタキシャル成長させた場合には、それらのエピタキシャル層の表面もＣ面になる。このようなＣ面方位は、窒化物半導体発光素子において最も一般的である。

ここで、窒化物半導体のＣ面に平行な中間層１０３において、その上下の層に対する格子不整合に起因して格子歪が生じる場合には、圧電分極によるピエゾ電界が発生し、その分極方向はＣ軸方向（＜０００１＞方向）に沿っている。その結果、中間層１０３のＣ面が＋Ｃ軸側と−Ｃ軸側とで異なる電気的性質を示し、中間層１０３は互いに極性の異なる下側界面と上側界面を持つことになる。この下側界面はｎ型導電性の第１下部層１０２と中間層１０３との界面であり、上側界面は中間層１０３とｐ型導電性の第２下部層１０４との界面である。

このように中間層１０３が極性面を持つ場合、中間層１０３が引張り応力を受ける積層構造にすれば、中間層１０３のエネルギバンドが曲がり、第１下部層１０２と第２下部層１０４との間の空乏層の幅を狭くすることができる。その結果、第１下部層１０２と第２下部層１０４との間で逆バイアスが印加される付加的ｐｎ接合においてトンネル電流が流れやすくなり、中間層１０３を含まない場合に比べて、発光素子の駆動電圧を低減させることができる。このような積層構造として、たとえば第１下部層１０２および第２下部層１０４をＧａＮまたは低Ａｌ濃度のＡｌＧａＮで形成し、中間層１０３をＡｌＮまたは高Ａｌ濃度のＡｌＧａＮで形成とすることが可能である。なぜならば、ＡｌＧａＮにおいては、Ａｌ濃度が増大するにしたがって格子定数が小さくなるからである。

また、基板１０１として六方晶の結晶基板を用い、その基板１０１のＲ面（｛１−１０２｝面）または｛１１−２２｝面などの半極性面上に第１下部層１０２、中間層１０３、および第２下部層１０４をＭＯＣＶＤ法などによって順次エピタキシャル成長させてもよい。この場合には、中間層１０３の表面も、Ｒ面（｛１−１０２｝面）または｛１１−２２｝面などの半極性面になる。このようにＲ面（｛１−１０２｝面）または｛１１−２２｝面などの半極性面を表面に有する中間層１０３においても、格子不整合などに起因して格子歪が生じた場合、圧電分極によるピエゾ電界が発生し、中間層１０３の両側表面の半極性面がそれぞれ異なる電気的性質を示すことになる。

さらに、窒化物半導体基板の主面は、Ｃ面またはＲ面に対してオフ角を有する面であってもよい。この場合のオフ角度は、０度≦オフ角度＜４５度の範囲内であればよい。また、窒化物半導体基板の主面は、Ｍ面（｛１０−１０｝面）またはＡ面（｛１１−２０｝面）の無極性面対してオフ角を有する面であってもよい。この場合のオフ角度は、０度＜オフ角度＜４５度の範囲内であればよい。これらの場合においても、基板の主面がＣ面の場合と同様に、窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減させることができる。

他方、付加的ｐｎ接合に逆バイアスの電流を流しやすくする構成としては、その接合部分に高濃度ドーピングを行なうことも有効である。たとえば、少なくとも接合近傍において、第１下部層１０２のｎ型不純物濃度を１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³の範囲内で好ましくは１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³程度にし、第２下部層１０４のｐ型不純物濃度を１０¹⁹〜１０²¹／ｃｍ³の範囲内で好ましくは３×１０¹⁹〜３×１０²⁰／ｃｍ³程度にすればよい。この場合、上述のような組成の中間層１０３を設けて相加的な効果を得てもよいし、それとは異なる組成の中間層を設けまたは設けずに、高濃度ドーピングの効果のみを利用してもよい。ここで、接合近傍とは、ドーピングによってトンネル電流を促進し得る接合界面から５０ｎｍ程度までの範囲を言う。

図２は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を模式的な断面図で示している。図１の発光素子に比べて、図２の発光素子においては、ｎ型導電性の六方晶の窒化物半導体基板２０１を用い、その基板の下面に第１のｎ型用電極２１０を形成していることのみにおいて異なっている。

すなわち、図２の窒化物半導体発光素子は、ｎ型基板２０１上に順次積層された第１下部層２０２、中間層２０３、第２下部層２０４、活性層２０５、および上部層２０６を含んでいる。そして、ｎ型基板２０１の下面には第１のｎ型用電極２１０が形成され、上部層２０６上には第２のｎ型用電極２０９が形成されている。この図２の発光素子において、正電圧から負電圧への電流経路は、第１のｎ型用電極２１０から、ｎ型基板２０１、全体としてｎ型導電性を有する第１下部層２０２、中間層２０３、全体としてｐ型導電性を有する第２下部層２０４、活性層２０５、および上部層２０６を経て、第２のｎ型用電極２０９までの順に構成されているが、動作の原理は図１の発光素子と同様である。

なお、本発明の半導体発光素子において特に窒化物半導体層を積層する場合には、基板としては上述のようにサファイア基板、窒化物半導体基板、炭化ケイ素基板などの六方晶の半導体結晶基板を用いることができる。なかでも、窒化物半導体基板を用いる場合には、基板とその上に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、基板と成長層との性質も同様になるので、成長層において良好な結晶性が得られる。

窒化物半導体基板としては、Ａｌ_x0Ｇａ_y0Ｉｎ_z0Ｎ（０≦ｘ０≦１、０≦ｙ０≦１、０≦ｚ０≦１、ｘ０＋ｙ０＋ｚ０＝１）で表わされる窒化物半導体結晶の基板を用いることができる。また、その基板上に形成される層としては、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）で表わされる窒化物半導体結晶層を成長させることができる。ｎ型不純物としては、シリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができ、Ｏ、ＳｅなどのＶＩ族元素を用いることも可能である。ｐ型不純物としては、マグネシウムおよび／または亜鉛などを用いることができる。また、活性層１０５、２０５は、従来から公知の単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有していてもよい。

本発明の半導体発光素子における第１のｎ型用電極１１０、２１０としては、ｎ型の第１下部層１０２またはｎ型基板２０２とオーミック接触を形成することが可能な公知の金属などを用いることができる。図１および図２に示す窒化物半導体発光素子においては、活性層１０５、２０５を形成した後に上部層１０６、２０６を形成するが、その上部層を低温で形成した場合でも、上部層１０６、２０６がｎ型窒化物半導体層であるので、その高抵抗化および著しい結晶性の悪化を抑制することができる。すなわち、低温で上部層１０６、２０６を形成することが可能であるので、活性層１０５、２０５が受ける熱ダメージも低減させることができる。

特に、Ｉｎを含む窒化物半導体結晶は、Ｉｎを含まない窒化物半導体結晶に比べて分解温度がかなり低いことが知られている。たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、およびそれらの混晶のようにＩｎを含まない窒化物半導体結晶は１０００℃程度の高温においても比較的安定であるが、ＩｎＮは６００〜７００℃程度の低温でも分解する。したがって、たとえばＩｎ_yＧａ_1-yＮで表わされる窒化物半導体結晶は、Ｉｎ組成比ｙにもよるが、一般的に１０００℃を超える温度では結晶性が悪化してしまう。また、緑色光や赤色光のような長波長域の光を活性層１０５、２０５に生じさせる場合には、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮで表わされる窒化物半導体結晶のＩｎ組成比ｙを０．１５〜０．４程度の高い値にする必要がある。この場合、窒化物半導体結晶に含まれるＩｎ濃度の増大に伴って、温度による結晶性の悪化の傾向がさらに顕著になる。しかし、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｎ型の上部層１０６、２０６を比較的低温で成長させることができるので、Ｉｎを含む活性層１０５、２０５の劣化を抑制することが可能である。

＜実施例１＞
図３は、本発明の実施例１による窒化物半導体発光ダイオード素子を模式的な断面図で示している。この窒化物半導体発光ダイオード素子は、厚さ１５０μｍのサファイア基板３０１上に順次積層された厚さ５μｍでｎ型ＧａＮの第１下部層３０２、厚さ２．５ｎｍのＡｌＮ中間層３０３、第２下部層３０４、多重量子井戸活性層３０５および厚さ１０ｎｍでｎ型ＧａＮの上部層３０６を含んでいる。

ここで、第２下部層３０４は、順次積層された厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮ層３０４ａ、厚さ１０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎキャリアブロック層３０４ｂ、厚さ６０ｎｍのノンドープＧａＮ層３０４ｃ、および厚さ８ｎｍのノンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層３０４ｄを含んでいる。なお、ｐ型キャリアブロック層３０４ｂ上のノンドープＧａＮ層３０４ｃとノンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層３０４ｄは、相対的に小さな格子定数のＡｌ含有キャリアブロック層３０４ｂ上に良好な活性層３０５を形成するためのバッファ層的な役割を果たすともに、活性層３０５にＭｇが拡散すれば発光効率が低下する恐れがあるので、ｐ型キャリアブロック層３０４ｂから活性層３０５へのＭｇの拡散を防止する役割をも果たしている。

多重量子井戸活性層３０５は、厚さ４ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ井戸層、厚さ８ｎｍのＳｉドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎバリア層、および厚さ４ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ井戸層が順次堆積された積層構造を有している。

ｎ型ＧａＮの第１下部層３０２の部分的に露出された表面上には第１のｎ型用電極３１０が形成され、ｎ型ＧａＮの上部層３０６上には第２のｎ型用電極３０９が形成されている。第１のｎ型用電極３１０はｎ型ＧａＮの第１下部層３０２へ直に接して形成されており、そのｎ型ＧａＮ層側から順に積層されたＨｆ層（厚さ３０ｎｍ）、Ａｌ層（厚さ２００ｎｍ）、Ｍｏ層（厚さ３０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚さ５０ｎｍ）、およびＡｕ層（厚さ２００ｎｍ）を含んでいる。

他方、第２のｎ型用電極３０９は、ｎ型ＧａＮの上部層３０６へ直に接して形成されており、そのｎ型ＧａＮ層側から順に積層されたＡｇ層（厚さ３０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚さ５０ｎｍ）、およびＡｕ層を含んでいる。こうして、このＡｇ層とｎ型ＧａＮの上部層３０６との界面に表面プラズモンポラリトンを発生させる構成にしている。

図３の窒化物半導体発光ダイオード素子は以下のようにして製造され得る。まず、直径２インチで厚さ４００μｍのサファイア基板３０１の主面であるＣ面上に、第１下部層３０２から上部層３０６までが、ＭＯＣＶＤ成膜装置を用いて順次にエピタキシャル成長させられる。ここで、窒素源としてはアンモニアを用い、ガリウム源としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、インジウム源としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、アルミニウム源としてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用い、ｐ型不純物のマグネシウム源としてはＣｐ₂Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、そしてｎ型不純物のシリコン源としてシランを用いる。

なお、ｎ型ＧａＮの第１下部層３０２とｎ型ＧａＮの上部層３０６におけるキャリア密度は、いずれにおいても１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。ＡｌＮ中間層３０３においては、ｐ型不純物とｎ型不純物のいずれもが意図的にドーピングされていない。そして、第２下部層に含まれるｐ型ＧａＮ層３０４ａのキャリア密度は、４×１０¹⁷ｃｍ^-3程度である。

ｎ型ＧａＮの第１下部層３０２はサファイア基板３０１の温度を１１２５℃にして堆積され、ＡｌＮ中間層３０３、ｐ型ＧａＮ層３０４ａ、およびｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎキャリアブロック層３０４ｂも引き続いて１１２５℃の基板温度で堆積される。

その後、ノンドープＧａＮ層３０４ｃ、ノンドープＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層３０４ｄ、および多重量子井戸活性層３０５までは、基板温度を７５０℃まで低下させて堆積される。そして、ｎ型ＧａＮの上部層３０６は、８５０℃の基板温度で堆積される。このように、多重量子井戸活性層３０５を形成した後に、基板温度を８５０℃程度の比較的低温で上部層３０６を形成した場合でも、上部層３０６はｎ型のＧａＮ層であるので、その高抵抗化および結晶性の著しい悪化を抑制することができる。そして、ｎ型ＧａＮの上部層が１０ｎｍ程度の薄さであっても、良好なｎ型不純物のドーピングが可能である。

仮に活性層上に設ける上部層をｐ型層で形成としようとすれば、ｐ型導電性を持たせるような結晶成長が８５０℃程度の低温では困難であり、逆にｐ型導電性を持たせるために成長温度を上昇させれば井戸層がその温度上昇によって劣化してしまう。この場合に、上部層の厚みに制限がなければ、蒸発を防止する層を井戸層上に設けることが可能であるが、高々４０ｎｍ程度の厚みしか許容されないような条件下にあっては、蒸発防止層を設けることは困難である。

他方、Ｍｇがドープされた窒化物半導体層は１０００℃以上の高温で堆積しなければｐ型の導電性を示さないが、Ｓｉがドープされた窒化物半導体層は１０００℃未満の低温で堆積されてもｎ型の導電性を示す。したがって、基板温度が８００℃程度の低温であっても、堆積条件を最適化することによって、ｎ型ＧａＮの上部層３０６を形成することができる。

ｎ型ＧａＮの上部層３０６上には、第２のｎ型用電極３０９がＥＢ（Electron Beam）蒸着法によって形成される。続いて、上部層３０６および第２のｎ型用電極３０９上に気相エッチング用のマスクを形成し、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング法を用いて、第１下部層３０２の厚さの途中までエッチングを行なう。そして、第１下部層３０２の部分的に露出した表面上に、ＥＢ蒸着法およびスパッタ法を用いて、第１のｎ型用電極３１０を形成する。

その後、サファイア基板３０１の厚さを一般的な研削および研磨によって１５０μｍ程度に薄くした後に、スクライブによって一辺が３５０μｍの正方形平面を有するチップに分割して実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を得る。

この実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、第１のｎ型用電極３１０をアノードとし、第２のｎ型用電極３０９をカソードとして電圧を印加することにより、多重量子井戸活性層３０５から青色（ピーク波長約４６０ｎｍ）の光が発せられる。この発光素子において、２０ｍＡの電流を注入して発光させるときの駆動電圧は４Ｖであり、その発光は素子の基板および側面を通して外部に取り出される。この場合の発光の内部量子効率を見積もったところ、２０ｍＡ動作時において９０％以上となり、きわめて高い値が得られた。このことは、表面プラズモン結合による発光増強効果（自然放出レートの増大）に基づいており、非輻射再結合が室温において問題にならない程に自然放出レートが増大していることを表している。

＜実施例２＞
本発明の実施例２による窒化物半導体発光ダイオード素子は、活性層３０５のピーク発光波長を５５０ｎｍにし、それに伴って第２のｎ型用電極３０９における半導体界面側の金属層をＡｇからＡｕに変更したこと以外は実施例１の場合と同様である。

この実施例２の発光素子において発光の内部量子効率を見積もったところ、２０ｍＡ動作時において５０％以上となり、高い値が得られた。

窒化物半導体活性層を用いる場合、４００ｎｍ程度の波長において最も効率のよい発光が得られやすく、波長５５０ｎｍ程度の緑色領域の発光に関する従来の内部量子効率が１／４程度に低下することが知られていることからすれば、５０％は非常に良好な値である。すなわち、本実施例２においても、表面プラズモン結合による発光増強効果によって、発光効率の向上したことが確認できた。

＜実施例３＞
図４は、本発明の実施例３による窒化物半導体発光ダイオード素子を模式的な断面図で示している。この窒化物半導体発光ダイオード素子は、厚さ２００μｍのｎ型ＡｌＧａＮ基板４０１上に順次積層された厚さ５μｍでｎ型ＡｌＧａＮの第１下部層４０２、厚さ４ｎｍでｎ型ＩｎＡｌＧａＮの中間層４０３、第２下部層４０４、多重量子井戸活性層４０５、および厚さ２０ｎｍでｎ型ＡｌＧａＮの上部層４０６を含んでいる。

ここで、第２下部層４０４は、順次積層された厚さ０．３μｍのｐ型ＡｌＧａＮ層４０４ａ、厚さ１０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層４０４ｂ、厚さ６０ｎｍのノンドープＩｎＡｌＧａＮ層４０４ｃ、および厚さ８ｎｍのノンドープＩｎＡｌＧａＮ層４０４ｄを含んでいる。なお、ｐ型キャリアブロック層４０４ｂ上のノンドープＩｎＡｌＧａＮ層４０４ｃとノンドープＩｎＡｌＧａＮ層４０４ｄは、相対的に小さな格子定数のＡｌ含有キャリアブロック層４０４ｂ上に良好な活性層４０５を形成するためのバッファ層的な役割を果たすともに、活性層４０５にＭｇが拡散すれば発光効率が低下する恐れがあるので、ｐ型キャリアブロック層４０４ｂから活性層４０５へのＭｇの拡散を防止する役割をも果たしている。

多重量子井戸活性層４０５は、厚さ３ｎｍのＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ井戸層、厚さ４ｎｍのＳｉドープＩｎＡｌＧａＮバリア層、厚さ３ｎｍのＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ井戸層が順次積層された積層構造を有している。

ｎ型ＡｌＧａＮ基板４０１の下面には、第１のｎ型用電極４１０が形成され、ｎ型ＡｌＧａＮの上部層４０６上には第２のｎ型用電極４０９が形成されている。

第１のｎ型用電極４１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ基板４１０に直に接して形成されている。また、第２のｎ型用電極４０９は、ｎ型ＧａＮの上部層４０６に直に接して形成されており、Ａｌ層（厚さ３００ｎｍ）で構成されている。こうして、Ａｌ層４０９とｎ型ＧａＮの上部層４０６との界面に表面プラズモンポラリトンを発生させる構成にしている。

この実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、２０ｍＡの電流注入で駆動させるときの駆動電圧は８Ｖであった。この場合に、多重量子井戸活性層３０５から紫外光（ピーク波長約２７０ｎｍ）が発せられる。そして、その紫外光は、発光素子の基板および側面を通して外部に取り出される。この発光の内部量子効率を見積もったところ、２０ｍＡ動作時において１０％以上となり、波長２７０ｎｍの発光ダイオードとしては極めて高い値を示した。この内部量子効率の向上は、表面プラズモン結合による発光増強効果（自然放出レートの増大）に基づいており、本発明の発光素子の構成における電流注入よって、そのような効果が実現されていることを示している。

今回開示された本発明に関する上述の実施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。本発明の範囲は上述の実施形態または実施例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。

本発明の発光素子は高い発光効率を有し、たとえば赤外領域にあっては通信用途、可視領域にあっては照明用途やディスプレイ用途、紫外発光素子にあっては殺菌や浄水などに好適に用いることができる。

本発明の一実施形態による発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 本発明の他の実施形態による発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 本発明の一実施例による発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 表面ポラリトン効果を利用する従来の発光ダイオード素子の模式的な断面図である。

符号の説明

１０１、３０１ 基板、２０１、４０１ ｎ型導電性基板、１０２、２０２、３０２、４０２ 全体としてｎ型導電性の第１下部層、１０３、２０３、３０３、４０３、 中間層、１０４、２０４、３０４、４０４ 全体としてｐ型導電性の第２下部層、１０５、２０５、３０５、４０５ 活性層、１０６、２０６、３０６、４０６ 全体としてｎ型導電性の上部層、１０９、２０９、３０９、４０９ 第２のｎ型用電極、１１０、２１０、３１０、４１０ 第１のｎ型用電極。

Claims (6)

1. 基板上においてｎ型半導体を含む第１下部層、ｐ型半導体を含む第２下部層、活性層、およびｎ型半導体を含む上部層がこの順に積層されており、
   前記基板または前記第１下部層に接して第１のｎ型用電極が設けられており、
   前記上部層上に接して第２のｎ型用電極が設けられており、
   前記上部層は４０ｎｍ以下の厚さを有し、
   前記上部層に接する前記第２のｎ型用電極の界面は、前記活性層から生じた光によって表面プラズモンが励起され得る金属を含むことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記活性層から生じた光によって表面プラズモンが励起され得る金属は、Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌのいずれかを主成分として含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１のｎ型用電極はアノード電極であり、前記第２のｎ型用電極はカソード電極である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. 前記半導体発光素子は窒化物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記第１下部層と前記第２下部層との間に中間層をさらに含み、この中間層は前記第１下部層および前記第２下部層との格子定数差に起因する引っ張り歪を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記基板はｎ型導電性基板であって、前記第１のｎ型用電極は前記ｎ型導電性基板に接して設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体発光素子。

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