JP2004281553A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】基板、バッファ層、発光ダイオード素子構造の透明性を向上することにより、半導体内部で生成された紫外光を効率よく外部に取り出す。
【解決手段】サファイア基板１の上に、アンドープＡｌＧａＮ層４、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層５、ＳｉドープＡｌＮ格子緩和層６、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層７、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層８、ＡｌＧａＮ単一量子井戸発光層９、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層１０、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１、ｐ型オーミック電極１２、パッド電極１３、およびｎ型オーミック電極１４を積層してなる発光ダイオード構造の下層に、低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を有する構成。
【選択図】 図１
【解決手段】サファイア基板１の上に、アンドープＡｌＧａＮ層４、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層５、ＳｉドープＡｌＮ格子緩和層６、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層７、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層８、ＡｌＧａＮ単一量子井戸発光層９、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層１０、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１、ｐ型オーミック電極１２、パッド電極１３、およびｎ型オーミック電極１４を積層してなる発光ダイオード構造の下層に、低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を有する構成。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードに係り、特に窒化物半導体を用いた紫外発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化物半導体、特にアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体は、直接遷移型の半導体であり、波長４００ｎｍ以下の紫外域の発光が可能なことから、従来にない紫外線を発する半導体光源を実現することに興味がもたれている。
また、このような紫外光源は、固体型の蛍光灯やバイオチップの分光分析、光硬化樹脂の硬化用光源、酸化チタン光触媒用の励起光源等の紫外線応用技術への適用範囲が広く、実用的な観点からも大きく期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の窒化物半導体結晶の成長においては、特にデバイスに応用する場合、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板や炭化ケイ素（ＳｉＮ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板など、紫外線、特に３８０ｎｍより波長の短い紫外線に対して不透明な基板を用いることが多った。
また、紫外線に対して透過率の高いサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いる場合や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いる場合には、表面に酸化アルミニウムが存在するために、中間層として結晶性を改善するＧａＮバッファ層を導入することが一般的に行なわれてきた。しかしながら、結晶性を向上するのに必要な比較的厚いＧａＮ層を導入すると、波長３８０ｎｍ未満の紫外光に対しては透明性が低く、特にＧａＮのバンドギャップ波長である約３６０ｎｍより短い波長では、１００ｎｍ程度の厚さでも全く光を透過しない問題があった。
同様に、窒化物半導体においては、ｐ型ドーピングが困難であるので、低抵抗なｐ型のオーミック接触を実現するために、ｐ型コンタクト層としてＧａＮを用いることが多く、ｐ型ＧａＮコンタクト層においても、バンドギャップ波長である約３６０ｎｍより短い波長では、１００ｎｍ程度の厚さでも全く光を透過しない問題があった。
また、クラッド層の光透過率を改善するために、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮ混晶層を用いると、ＧａＮよりも電気抵抗が高くなるために素子抵抗が増加するという問題があった。
【０００４】
これまで、我々は、窒化物半導体が窒化ガリウムや窒化インジウムだけではなく、Ａｌを含んだよりバンドギャップの大きい混晶半導体を用いた場合でも、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）用の材料に匹敵する高い電流−発光変換効率（すなわち、内部量子効率）を実現でき、発光波長が４００ｎｍを大きく下回る紫外域においても高性能な発光デバイスが実現できる可能性があることを示してきた。（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．７９（２００１）ｐ．７１１）
しかしながら、上述したように、基板材料やバッファ層材料が波長３８０ｎｍ未満で不透明であることから、折角、半導体内部で電流から変換された光が、半導体もしくは基板内部で吸収され、外部に取り出される光が高々数％に過ぎないという問題があった。
【０００５】
以上述べたように、紫外発光ダイオードの効率は発光波長に対して不透明、すなわち、光吸収性の基板材料、バッファ層、もしくは発光ダイオードの素子構造により低下しており、また、光透過率を改善しようとすると素子抵抗が高くなり、投入電力に対する効率、すなわち、パワー効率が低下するという問題があった本発明の目的は、基板、バッファ層、発光ダイオード素子構造の透明性を向上することにより、半導体内部で生成された紫外光を効率よく外部に取り出すことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、紫外光に対しても透明なＡｌＮバッファ層の少なくとも一部を大気にさらすことなく、発光ダイオード構造と連続して結晶化すること、擬液相成長法による高品質のＡｌＮバッファ層を用いること、電気抵抗が低く透明性に優れたＡｌを含む窒化物半導体混晶超格子を用いること、ｐ型オーミック電極金属をＡｌＧａＮ混晶からなる層に直接接触させること、ｐ型オーミック電極としてＰｄとＡｕを積層した複合金属を用いる方法等を組み合わせること等により、光取り出し助率を向上することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明においては特許請求の範囲に記載するような構成になっている。
つまり、本発明の発光ダイオードは、発光層を含む発光ダイオード構造の下層に窒化アルミニウム層を有し、前記発光ダイオード構造と前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部との間に再成長界面を有しないことを特徴とする。
また、前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部が、結晶表面に形成した擬液相状態のアルミニウムを窒化して得られた窒化アルミニウム層を含むことを特徴とする。
また、前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部が、サファイア基板上に１０００℃以上の高温で成長して得られた窒化アルミニウム層を含むことを特徴とする。
また、前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部に、バルクＡｌＮ結晶を含むことを特徴とする。
また、前記発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする。
また、前記発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であることを特徴とする。
また、アルミウムを含む窒化物半導体混晶の複数の層からなるｎ型またはｐ型にドーピングした超格子構造を有することを特徴とする。
また、ｎ型不純物としてＳｉを用いたことを特徴とする。
また、ｐ型不純物としてＭｇを用いたことを特徴とする。
また、前記超格子構造が、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期混晶超格子からなることを特徴とする。
また、ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層とｐ側電極を直接接触させたことを特徴とする。
また、前記ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層として、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期ＡｌＧａＮ混晶超格子からなることを特徴とする。
また、ｐ側電極として、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＰｄ層と、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＡｕ層を少なくとも積層したことを特徴とする。
また、前記Ａｕ層の上に、少なくともＡｕ層を含む厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の第１の金属層を有することを特徴とする。
また、前記Ａｕ層と前記第１の金属層との間に、厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１つからなる第２の金属層を有することを特徴とする。
また、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に厚さ５０ｎｍ以上のＡｌ層を有することを特徴とする。
また、前記発光層の発光波長のバンドギャップを有する層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
また、前記発光層が厚さ４ｎｍ以下の単層の量子井戸からなることを特徴とする。
また、前記量子井戸がＡｌを含む窒化物半導体層からなることを特徴とする。
また、ｐ側電極として、厚さ１００ｎｍ以上のＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉの少なくとも１つを用いて、正孔注入領域全面にわたって表面を覆ってミラーを形成し、発光を基板裏面から取り出すことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１の紫外発光ダイオードの基本的な構造を説明する断面図である。
図１に示すように、下層から、ｃ面正方位（±２°以内）のサファイア基板１、低温成長ＡｌＮ層２（厚さ約２０ｎｍ）、擬液相成長（ｐＬＰＥ（ｐｓｅｕｄｏ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：擬液相エピタキシー）−）ＡｌＮ層３（厚さ約３００ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＮ層４（厚さ約３００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層５（厚さ約３００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、ＳｉドープＡｌＮ格子緩和層６（厚さ約３０ｎｍ）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子（ＳＰＡＳＬ（Ｓｈｏｒｔ Ｐｅｒｉｏｄ Ａｌｌｏｙ Ｓｕｐｅｒ Ｌａｔｔｉｃｅ））層７（厚さ約１５０ｎｍ、周期約３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層８（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、ＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ））発光層９（バリア層Ａｌ組成約８％、量子井戸Ａｌ組成約４％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層１０（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１（厚さ約９０ｎｍ、周期的３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）である。
【０００９】
低温成長ＡｌＮ層２の成長温度は４００〜５００℃、他の層は高温（１０００〜１１００℃）で、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇの有機金属、シラン、アンモニアを用いて成長している。
さらに、このようにして形成した発光ダイオード用基板を用いて発光ダイオード素子を作製した。
図１の構造では、基板としてサファイア基板１を記載しているが、ＡｌＮ基板やＡｌＮにより被覆されたサファイア基板でも、紫外域で透明であるので使用することが可能である。
発光ダイオード用基板の最終層のｐ型短周期混晶超格子層１１は、ｐ型コンタクト層でもあり、その上にＰｄ（パラジウム）（厚さ約２．５ｎｍ）（下層、以下同様）／Ａｕ（厚さ約２．５ｎｍ）（上層、以下同様）からなる半透明ｐ型オーミック電極１２を設けている。さらに、その上にＰ型オーミック電極１２の一部を被覆するＴｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＡｌ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＮｉ（厚さ約１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるパッド電極１３を設けている。また、ｐ型オーミック電極１２の周囲は、図１に示すごとく、塩素ガスを用いた電子サイクロトロンプラズマエッチング（ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング）で、ｎ型短周期混晶超格子層７までエッチングして、露出した面にＴｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＡｌ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＮｉ（厚さ約１０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるｎ型オーミック電極１４を形成した。なお、アンドープＡｌＧａＮ層４からＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１まで、およびｐ型電極１２、パッド電極１３、ｎ型電極１４を発光ダイオード構造と称する。
【００１０】
図１では、パッド電極１３がｐ型電極１２のごく一部を被覆しているだけであるが、後述するように基板１の下面（裏面）から発光を取り出す場合には、厚膜（厚さ約１００ｎｍ以上）のパッド電極１３をｐ型電極１２のほぼ全面に設けるか、厚さ２０ｎｍ以上のＰｄ層を使うことが可能である。さらに、下面から発光を取り出す場合、発光ダイオード用基板側に５ｎｍ以下のＰｄ、Ａｕ、Ｔｉ層を積層し、その上に２０ｎｍ以上の厚さのＡｌ層とＡｕ層を設けることにより、紫外域で反射強度の高いＡｌ層の反射を利用して、下面側からの発光を増加させることが可能である。さらに、Ａｌ層とＡｕ層との間の相互拡散を抑制するために、Ｔｉ層やＰｔ層等の障壁金属層を両層間に設けることも有効であると考えられる。
【００１１】
図２は本発明に従って作製した発光ダイオード用基板と、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３無しで作製した発光ダイオード用瑳板の発光波長における光透過率を測定した結果を示すグラフである。
ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を用いない場合、光吸収が大きくなっており、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を用いることにより、透明性の高い発光ダイオードを実現することができることが図２からわかる。さらに、このようなｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３をバッファ層として用いない場合、均一でｐ型およびｎ型電気伝導の制御が可能なＡｌＧａＮ層を得ることはできなかった。従って、ＡｌＧａＮ層を成長する前に、透明かつ結晶性を向上させるためにＡｌＮ層を形成し、大気中に取り出さずにＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。
【００１２】
図３は本発明に従って作製した発光ダイオードと、アンドープＡｌＧａＮバッファ層の代わりにアンドーブＧａＮバッファ層を用いた発光ダイオード参考素子の光出力特性を比較した結果（同じ注入電流条件における発光強度スペクトル）を示すグラフである。
ここで用いた発光ダイオードの発光波長は約３５０ｎｍであり、ＧａＮバッファ層は発光を吸収する層となっている。また、バッファ層による光吸収の効果を直接比較するために、ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成を１０％とし、両者のバッファ層とｎ型超格子（図１のｎ−ＳＰＡＳＬ層７）との間に、結晶格子を緩和し、クラック発生を抑制するためのＡｌＮ層（約３０ｎｍ）を導入している。ここで用いた参考素子は、ＧａＮバッファ層を用いた場合だけでなく、ＳｉＣやＳｉ、ＧａＮコンタクト層等の光吸収性の基板や層を用いた場合の発光ダイオードの発光特性を代表していることになる。図３から明らかなように、本実施の形態１の発光ダイオード素子は、参考素子の約２倍の光出力を得ていることがわかる。また、本実施の形態１の発光ダイオード素子の発光スペクトルは、波長に対して強度が弱い波状に変動している。これは、発光層から下側に放出された光が下層の複数の層の界面もしくは基板裏面で反射され、発光層から直接上側に放出された光と干渉していることを示しており、透明な発光ダイオード構造により発光強度が増加したことを示している。
【００１３】
さらに、本実施の形態１の発光ダイオードからの発光を下面側で測定すると、上面側の約２倍の発光強度を得た。これは、下面側は基板および結晶成長層だけで半透明電極やパッド電極により発光が遮られることが無いという理由によるものと考えられる。実際、本実施の形態１で使用した半透明電極の透過率は概ね５０％である。
さらに、本実施の形態１の発光ダイオード用基板と量子井戸の層数を２層に変更した参考基板の光透過率を比較したところ、波長３５０ｎｍにおける光透過率が８０％から６０％に減少した。従って、発光ダイオード用基板の透明性を向上する各種方策を採用する場合、量子井戸数が１〜３層程度の少ない量子井戸数を採用することが有利であり、単層であることが最も優れているということができる。また、このような少ない量子井戸数の発光ダイオード素子において、効率の良い電流注入を実現するために、ｎ側およびｐ側にキャリアブロッキング層（本出願人による特開２００２−２８０６１０号に記載）を組み合わることが望ましい。
さらに、上記透明化の方策は、ｎ型クラッド層としてＡｌＧａＮ混晶からなる超格子構造（本出願人による特開２０００−２９４８８４号に記載）を採用することにより、透明性が高く、より低抵抗の素子を作製することができる。
また、上記透明化の方策は、ｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ混晶からなる超格子構造（本出願人による特開２０００−２９４８８４号に記載）を採用することにより、透明性が高く、より低抵抗の素子を作製することができる。また、この構造は平均Ａｌ組成が高く、バンドギャップの大きい層においても高い正孔濃度を実現することが容易であることから、ｐ型ＧａＮ層を介することなく直接ｐ型オーミック接触を得るこが可能である。
また、ｐ型オーミック接触金属として、酸化に対しても耐性の優れたＰｄを採用すると、表面が酸化されやすい３０％以上のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ混晶でもオーミック接触が可能となる。
この両者のオーミック接触技術（ＡｌＧａＮ混晶からなる超格子構造とＰｄオーミック接触金属）を組み合わせることにより高Ａｌ組成でバンドギャップが広い、すなわち、紫外域でもより透明な材料で低抵抗なｐ型オーミック接触が可能となる。この組み合わせを上記透明化の方法と合わせることにより、発光出力が高く低抵抗の素子を作製することができる。
【００１４】
以上説明したように、本実施の形態１では、発光層であるＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）発光層６を含む発光ダイオード構造（アンドープＡｌＧａＮ層４からＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１まで、およびｐ型電極１２、パッド電極１３、ｎ型電極１４）の下層に窒化アルミニウム層である低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を有し、発光ダイオード構造と低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３の少なくとも一部との間に再成長界面を有しないという構成になっている。再成長界面を有しないというのは、低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３の少なくとも一部を大気にさらすことなく、発光ダイオード構造と連続して形成するという意味である。
また、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３の少なくとも一部が、結晶表面に形成した擬液相状態のアルミニウムを窒化して得られた窒化アルミニウム層を含むという構成になっている。
また、発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であるという構成になっている。発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であるという構成により、赤色の蛍光体の励起効率が高く、電球色の照明やディスプレイに有利である。
また、発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であるという構成になっている。発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であるという構成により、長波長側の発光が青色まで伸びるためにディスプレイや白色光源に不向きであるという問題を解決できる。
また、アルミウムを含む窒化物半導体混晶の複数の層からなるｎ型またはｐ型にドーピングした超格子構造（ｎ型ＡｌＧａＮＳＰＡＳＬ層７またはｐ型ＡｌＧａＮＳＰＡＳＬ層１２）を有するという構成になっている。
また、ｎ型不純物としてＳｉを用いた構成になっている。
また、ｐ型不純物としてＭｇを用いた構成になっている。
また、超格子構造が、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期混晶超格子からなるという構成になっている。１分子層対１分子層の超格子で、１ｎｍより薄くするのは無意味である。また、分極効果でバンドギャップが小さくなるのが４ｎｍの厚さより大きい場合であり、従って周期は８ｎｍ以下である。
また、ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１）とｐ側電極１２を直接接触させたという構成になっている。
また、ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層として、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期ＡｌＧａＮ混晶超格子（ｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１）からなるという構成になっている。
また、ｐ側電極１２として、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＰｄ層と、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＡｕ層を少なくとも積層したという構成になっている。厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下というのは、上部から光を取り出す際に約２５％の透過率があるからである。
また、Ａｕ層（ｐ側電極１２の一部）の上に、少なくともＡｕ層を含む厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の第１の金属層（パッド電極１３の一部）を有するという構成になっている。厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下というのは、ワイヤボンディングが容易にできる厚さである。
また、Ａｕ層と第１の金属層との間に、厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１つからなる第２の金属層（パッド電極１３の一部）を有するという構成になっている。厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下というのは、原子層１層以上であり、付着力が増加する。１０００ｎｍ以上は、大きな変化がないので必要ない。
また、第１の金属層と第２の金属層との間に厚さ５０ｎｍ以上のＡｌ層を有するという構成になっている。
また、発光層の発光波長のバンドギャップを有する層（発光層のうち井戸層に対応）の厚さが５ｎｍ以下であるという構成になっている。４ｎｍまでが空間的直接遷移により発光強度が高い。４〜５ｎｍは、ドーピングにより発光強度を増強可能であり、５ｎｍ以上は過剰なドーピングが必要になり結晶性が低下する。
また、発光層が厚さ４ｎｍ以下の単層の量子井戸からなるという構成になっている。ドーピングが少なくても空間的直接遷移により発光強度が高い。
また、量子井戸がＡｌを含む窒化物半導体層からなるという構成になっている。
以上説明したように、本実施の形態１によれば、ＡｌＧａＮ混晶をベースとする紫外発光ダイオードに、連続成長したＡｌＮバッファ層や超格子構造、Ｐｄオーミック金属、単層量子井戸構造、ブロッキング層等を組み合わせることにより、従来発光ダイオード素子の内部に有していた発光波長において光を吸収する層を解消することが可能となり、光の取り出し効率の高い発光ダイオードを実現することが可能になる。
【００１５】
実施の形態２
図４は本発明の紫外発光ダイオードの別のタイプの実施の形態２の構造を説明する図である。
Ｃ面正方位（±２°以内）のサファイア基板４１上に高温成長ＡｌＮ層４２（厚さ約３００ｎｍ。ＭＲＳ Ｆａｌｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ２００１， Ｖｏｌ．１９， ｐ．３に記載）を設けた基板を使用する。ドーピング専用のＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長法）装置に入れ、アンドープＡｌＮ層４３（厚さ約３０ｎｍ）をホモエピタキシャル成長させる。さらに、下層から、アンドープＡｌＧａＮ層４４（厚さ約７００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層４５（厚さ約２３００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、Ｓｉドープｎ型短周期混晶超格子層４６（厚さ約１５０ｎｍ、周期約３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層４７（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、ＡｌＧａＮ単一量子井戸発光層４８（バリア層Ａｌ組成約８％、量子井戸Ａｌ組成約４％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層４９（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層５０（厚さ約９０ｎｍ、周期的３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）である。
【００１６】
ホモエピタキシャルＡｌＮ層４３の成長温度は１１００℃、他の層は高温（１０００〜１１００℃）で、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇの有機金属、シラン、アンモニアを用いて成長している。
さらに、このようにして形成した発光ダイオード用基板を用いて発光ダイオード素子を作製した。
図４の構造では、基板として高温成長ＡｌＮ層４２付きサファイア基板４１を記載しているが、ＡｌＮバルク基板でも、紫外域で透明であるので使用することが可能である。
発光ダイオード用基板の最終層のｐ型短周期混晶超格子層５０は、ｐ型コンタクト層でもあり、その上にＰｄ（厚さ約１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約３０００ｎｍ）からなるミラー兼用ｐ型オーミック電極５１を設けている。さらに、その上にＰ型オーミック電極５１の一部を被覆するＴｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＡｌ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＮｉ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるパッド電極５２を設けている。また、ｐ型オーミック電極５１の周囲は、図４に示すごとく、塩素ガスを用いた電子サイクロトロンプラズマエッチング（ＥＣＲエッチング）で、ｎ型短周期混晶超格子層４６までエッチングして、露出した面にＴｉ（厚さ約０．５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ約１００ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるｎ型オーミック電極５３を形成した。
【００１７】
図１の実施の形態１では、パッド電極１３が半透明ｐ型電極１２のごく一部を被覆しているだけであるが、図４では、基板４１の下面から発光を取り出すために、ｐ型電極５１をほぼ前面に設け、電極厚さも２０ｎｍ以上のＰｄを使うことによる反射の効果を利用している。さらに、下面から発光を取り出す場合、発光ダイオード用基板側から５ｎｍ以下のＰｄ、Ａｕ、Ｔｉ層を積層し、その上に２０ｎｍ以上の厚さのＡｌ層とＡｕ層を設けることにより、紫外域で反射強度の高いＡｌ層の反射を利用してい下面側からの発光を増加させることが可能である。
さらに、Ａｌ層とＡｕ層との間の相互拡散を抑制するために、Ｔｉ層やＰｔ層等の障壁金属層を両層間に設けることも有効である。
【００１８】
図５は本発明に従って作製した発光ダイオード用で、ｐ型電極のミラー効果を利用して、基板側から発光させる例（図５中左下の例）を説明する図である。太い矢印は、取り出した発光を示す。
ｐ型ミラー電極を用いた裏面発光型素子は、半透明電極を用いた素子の裏面発光に比較して約５０％増加し、半透明電極を用いた素子の上面発光を用いた場合の約３倍、さらにＧａＮのような紫外光吸収のある層を用いた場合の約６倍の発光出力を得ることができた。さらに、本発光ダイオードをチップ化し、フリップチップボンディングしたところ、発光出力の飽和電流が４０ｍＡから７０ｍＡに増加する効果が得られた。これは厚いｐ型ミラー電極とボンディングに使用したバンプ金属と熱接触が優れており、素子駆動の際の発熱を効率的に拡散させたためであり、高出力動作に適している。
【００１９】
上記のように、本実施の形態２では、窒化アルミニウム層（高温成長ＡｌＮ層４２、アンドープＡｌＮ層４３）の少なくとも一部が、サファイア基板４１上に１０００℃以上の高温で成長して得られた窒化アルミニウム層（高温成長ＡｌＮ層４２（Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ． Ｖｏｌ．６９３ Ｉ３．４８．１参照）、アンドープＡｌＮ層４３）を含むという構成になっている。１０００℃以上で成長すると、らせん転位のほとんど無い結晶性に優れたＡｌＮ層が得られる。
また、窒化アルミニウム層の少なくとも一部に、バルクＡｌＮ結晶（ＡｌＮバルク基板）を含むという構成にしてもよい。
また、ｐ側電極５１として、厚さ１００ｎｍ以上のＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉの少なくとも１つを用いて、正孔注入領域全面にわたって表面を覆ってミラーを形成し、発光を基板裏面から取り出すという構成になっている。厚さ１００ｎｍ以上で、ミラー効果が得られる。
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、Ｉｎ（インジウム）を導入したり、Ｂ（ホウ素）を導入した紫外発光素子にも適用することが可能である。また、発光ダイオードだけでなく、光ガイド層を有するレーザー構造にも適用可能である。さらに、基板や窒化物の組成などが種々変更可能であることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来発光ダイオード素子の内部に有していた発光波長において光を吸収する層を解消することが可能となり、光の取り出し効率の高い発光ダイオードを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の素子構造を説明する断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１により透明性が向上したことを説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１により発光強度が増加したことを説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態２の素子構造を説明する断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２のｐ型電極のミラー効果を利用して、基板側から発光させる例を説明する図である。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…低温成長ＡｌＮ層
３…ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層
４…アンドープＡｌＧａＮ層
５…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層
６…ＳｉドープＡｌＮ格子緩和層
７…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子（ＳＰＡＳＬ）層
８…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層
９…ＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）発光層
１０…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層
１１…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層
１２…ｐ型オーミック電極
１３…パッド電極
１４…ｎ型オーミック電極
４１…サファイア基板
４２…高温成長ＡｌＮ層
４３…ホモエピタキシャル成長アンドープＡｌＮ層
４４…アンドープＡｌＧａＮ層
４５…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層
４６…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子（ＳＰＡＳＬ）層
４７…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層
４８…ＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）発光層
４９…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層
５０…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層
５１…ｐ型オーミック電極
５２…パッド電極
５３…ｎ型オーミック電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードに係り、特に窒化物半導体を用いた紫外発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化物半導体、特にアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体は、直接遷移型の半導体であり、波長４００ｎｍ以下の紫外域の発光が可能なことから、従来にない紫外線を発する半導体光源を実現することに興味がもたれている。
また、このような紫外光源は、固体型の蛍光灯やバイオチップの分光分析、光硬化樹脂の硬化用光源、酸化チタン光触媒用の励起光源等の紫外線応用技術への適用範囲が広く、実用的な観点からも大きく期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の窒化物半導体結晶の成長においては、特にデバイスに応用する場合、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板や炭化ケイ素（ＳｉＮ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板など、紫外線、特に３８０ｎｍより波長の短い紫外線に対して不透明な基板を用いることが多った。
また、紫外線に対して透過率の高いサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いる場合や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いる場合には、表面に酸化アルミニウムが存在するために、中間層として結晶性を改善するＧａＮバッファ層を導入することが一般的に行なわれてきた。しかしながら、結晶性を向上するのに必要な比較的厚いＧａＮ層を導入すると、波長３８０ｎｍ未満の紫外光に対しては透明性が低く、特にＧａＮのバンドギャップ波長である約３６０ｎｍより短い波長では、１００ｎｍ程度の厚さでも全く光を透過しない問題があった。
同様に、窒化物半導体においては、ｐ型ドーピングが困難であるので、低抵抗なｐ型のオーミック接触を実現するために、ｐ型コンタクト層としてＧａＮを用いることが多く、ｐ型ＧａＮコンタクト層においても、バンドギャップ波長である約３６０ｎｍより短い波長では、１００ｎｍ程度の厚さでも全く光を透過しない問題があった。
また、クラッド層の光透過率を改善するために、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮ混晶層を用いると、ＧａＮよりも電気抵抗が高くなるために素子抵抗が増加するという問題があった。
【０００４】
これまで、我々は、窒化物半導体が窒化ガリウムや窒化インジウムだけではなく、Ａｌを含んだよりバンドギャップの大きい混晶半導体を用いた場合でも、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）用の材料に匹敵する高い電流−発光変換効率（すなわち、内部量子効率）を実現でき、発光波長が４００ｎｍを大きく下回る紫外域においても高性能な発光デバイスが実現できる可能性があることを示してきた。（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．７９（２００１）ｐ．７１１）
しかしながら、上述したように、基板材料やバッファ層材料が波長３８０ｎｍ未満で不透明であることから、折角、半導体内部で電流から変換された光が、半導体もしくは基板内部で吸収され、外部に取り出される光が高々数％に過ぎないという問題があった。
【０００５】
以上述べたように、紫外発光ダイオードの効率は発光波長に対して不透明、すなわち、光吸収性の基板材料、バッファ層、もしくは発光ダイオードの素子構造により低下しており、また、光透過率を改善しようとすると素子抵抗が高くなり、投入電力に対する効率、すなわち、パワー効率が低下するという問題があった本発明の目的は、基板、バッファ層、発光ダイオード素子構造の透明性を向上することにより、半導体内部で生成された紫外光を効率よく外部に取り出すことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、紫外光に対しても透明なＡｌＮバッファ層の少なくとも一部を大気にさらすことなく、発光ダイオード構造と連続して結晶化すること、擬液相成長法による高品質のＡｌＮバッファ層を用いること、電気抵抗が低く透明性に優れたＡｌを含む窒化物半導体混晶超格子を用いること、ｐ型オーミック電極金属をＡｌＧａＮ混晶からなる層に直接接触させること、ｐ型オーミック電極としてＰｄとＡｕを積層した複合金属を用いる方法等を組み合わせること等により、光取り出し助率を向上することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明においては特許請求の範囲に記載するような構成になっている。
つまり、本発明の発光ダイオードは、発光層を含む発光ダイオード構造の下層に窒化アルミニウム層を有し、前記発光ダイオード構造と前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部との間に再成長界面を有しないことを特徴とする。
また、前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部が、結晶表面に形成した擬液相状態のアルミニウムを窒化して得られた窒化アルミニウム層を含むことを特徴とする。
また、前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部が、サファイア基板上に１０００℃以上の高温で成長して得られた窒化アルミニウム層を含むことを特徴とする。
また、前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部に、バルクＡｌＮ結晶を含むことを特徴とする。
また、前記発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする。
また、前記発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であることを特徴とする。
また、アルミウムを含む窒化物半導体混晶の複数の層からなるｎ型またはｐ型にドーピングした超格子構造を有することを特徴とする。
また、ｎ型不純物としてＳｉを用いたことを特徴とする。
また、ｐ型不純物としてＭｇを用いたことを特徴とする。
また、前記超格子構造が、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期混晶超格子からなることを特徴とする。
また、ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層とｐ側電極を直接接触させたことを特徴とする。
また、前記ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層として、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期ＡｌＧａＮ混晶超格子からなることを特徴とする。
また、ｐ側電極として、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＰｄ層と、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＡｕ層を少なくとも積層したことを特徴とする。
また、前記Ａｕ層の上に、少なくともＡｕ層を含む厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の第１の金属層を有することを特徴とする。
また、前記Ａｕ層と前記第１の金属層との間に、厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１つからなる第２の金属層を有することを特徴とする。
また、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に厚さ５０ｎｍ以上のＡｌ層を有することを特徴とする。
また、前記発光層の発光波長のバンドギャップを有する層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
また、前記発光層が厚さ４ｎｍ以下の単層の量子井戸からなることを特徴とする。
また、前記量子井戸がＡｌを含む窒化物半導体層からなることを特徴とする。
また、ｐ側電極として、厚さ１００ｎｍ以上のＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉの少なくとも１つを用いて、正孔注入領域全面にわたって表面を覆ってミラーを形成し、発光を基板裏面から取り出すことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１の紫外発光ダイオードの基本的な構造を説明する断面図である。
図１に示すように、下層から、ｃ面正方位（±２°以内）のサファイア基板１、低温成長ＡｌＮ層２（厚さ約２０ｎｍ）、擬液相成長（ｐＬＰＥ（ｐｓｅｕｄｏ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：擬液相エピタキシー）−）ＡｌＮ層３（厚さ約３００ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＮ層４（厚さ約３００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層５（厚さ約３００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、ＳｉドープＡｌＮ格子緩和層６（厚さ約３０ｎｍ）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子（ＳＰＡＳＬ（Ｓｈｏｒｔ Ｐｅｒｉｏｄ Ａｌｌｏｙ Ｓｕｐｅｒ Ｌａｔｔｉｃｅ））層７（厚さ約１５０ｎｍ、周期約３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層８（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、ＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ））発光層９（バリア層Ａｌ組成約８％、量子井戸Ａｌ組成約４％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層１０（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１（厚さ約９０ｎｍ、周期的３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）である。
【０００９】
低温成長ＡｌＮ層２の成長温度は４００〜５００℃、他の層は高温（１０００〜１１００℃）で、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇの有機金属、シラン、アンモニアを用いて成長している。
さらに、このようにして形成した発光ダイオード用基板を用いて発光ダイオード素子を作製した。
図１の構造では、基板としてサファイア基板１を記載しているが、ＡｌＮ基板やＡｌＮにより被覆されたサファイア基板でも、紫外域で透明であるので使用することが可能である。
発光ダイオード用基板の最終層のｐ型短周期混晶超格子層１１は、ｐ型コンタクト層でもあり、その上にＰｄ（パラジウム）（厚さ約２．５ｎｍ）（下層、以下同様）／Ａｕ（厚さ約２．５ｎｍ）（上層、以下同様）からなる半透明ｐ型オーミック電極１２を設けている。さらに、その上にＰ型オーミック電極１２の一部を被覆するＴｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＡｌ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＮｉ（厚さ約１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるパッド電極１３を設けている。また、ｐ型オーミック電極１２の周囲は、図１に示すごとく、塩素ガスを用いた電子サイクロトロンプラズマエッチング（ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング）で、ｎ型短周期混晶超格子層７までエッチングして、露出した面にＴｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＡｌ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＮｉ（厚さ約１０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるｎ型オーミック電極１４を形成した。なお、アンドープＡｌＧａＮ層４からＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１まで、およびｐ型電極１２、パッド電極１３、ｎ型電極１４を発光ダイオード構造と称する。
【００１０】
図１では、パッド電極１３がｐ型電極１２のごく一部を被覆しているだけであるが、後述するように基板１の下面（裏面）から発光を取り出す場合には、厚膜（厚さ約１００ｎｍ以上）のパッド電極１３をｐ型電極１２のほぼ全面に設けるか、厚さ２０ｎｍ以上のＰｄ層を使うことが可能である。さらに、下面から発光を取り出す場合、発光ダイオード用基板側に５ｎｍ以下のＰｄ、Ａｕ、Ｔｉ層を積層し、その上に２０ｎｍ以上の厚さのＡｌ層とＡｕ層を設けることにより、紫外域で反射強度の高いＡｌ層の反射を利用して、下面側からの発光を増加させることが可能である。さらに、Ａｌ層とＡｕ層との間の相互拡散を抑制するために、Ｔｉ層やＰｔ層等の障壁金属層を両層間に設けることも有効であると考えられる。
【００１１】
図２は本発明に従って作製した発光ダイオード用基板と、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３無しで作製した発光ダイオード用瑳板の発光波長における光透過率を測定した結果を示すグラフである。
ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を用いない場合、光吸収が大きくなっており、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を用いることにより、透明性の高い発光ダイオードを実現することができることが図２からわかる。さらに、このようなｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３をバッファ層として用いない場合、均一でｐ型およびｎ型電気伝導の制御が可能なＡｌＧａＮ層を得ることはできなかった。従って、ＡｌＧａＮ層を成長する前に、透明かつ結晶性を向上させるためにＡｌＮ層を形成し、大気中に取り出さずにＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。
【００１２】
図３は本発明に従って作製した発光ダイオードと、アンドープＡｌＧａＮバッファ層の代わりにアンドーブＧａＮバッファ層を用いた発光ダイオード参考素子の光出力特性を比較した結果（同じ注入電流条件における発光強度スペクトル）を示すグラフである。
ここで用いた発光ダイオードの発光波長は約３５０ｎｍであり、ＧａＮバッファ層は発光を吸収する層となっている。また、バッファ層による光吸収の効果を直接比較するために、ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成を１０％とし、両者のバッファ層とｎ型超格子（図１のｎ−ＳＰＡＳＬ層７）との間に、結晶格子を緩和し、クラック発生を抑制するためのＡｌＮ層（約３０ｎｍ）を導入している。ここで用いた参考素子は、ＧａＮバッファ層を用いた場合だけでなく、ＳｉＣやＳｉ、ＧａＮコンタクト層等の光吸収性の基板や層を用いた場合の発光ダイオードの発光特性を代表していることになる。図３から明らかなように、本実施の形態１の発光ダイオード素子は、参考素子の約２倍の光出力を得ていることがわかる。また、本実施の形態１の発光ダイオード素子の発光スペクトルは、波長に対して強度が弱い波状に変動している。これは、発光層から下側に放出された光が下層の複数の層の界面もしくは基板裏面で反射され、発光層から直接上側に放出された光と干渉していることを示しており、透明な発光ダイオード構造により発光強度が増加したことを示している。
【００１３】
さらに、本実施の形態１の発光ダイオードからの発光を下面側で測定すると、上面側の約２倍の発光強度を得た。これは、下面側は基板および結晶成長層だけで半透明電極やパッド電極により発光が遮られることが無いという理由によるものと考えられる。実際、本実施の形態１で使用した半透明電極の透過率は概ね５０％である。
さらに、本実施の形態１の発光ダイオード用基板と量子井戸の層数を２層に変更した参考基板の光透過率を比較したところ、波長３５０ｎｍにおける光透過率が８０％から６０％に減少した。従って、発光ダイオード用基板の透明性を向上する各種方策を採用する場合、量子井戸数が１〜３層程度の少ない量子井戸数を採用することが有利であり、単層であることが最も優れているということができる。また、このような少ない量子井戸数の発光ダイオード素子において、効率の良い電流注入を実現するために、ｎ側およびｐ側にキャリアブロッキング層（本出願人による特開２００２−２８０６１０号に記載）を組み合わることが望ましい。
さらに、上記透明化の方策は、ｎ型クラッド層としてＡｌＧａＮ混晶からなる超格子構造（本出願人による特開２０００−２９４８８４号に記載）を採用することにより、透明性が高く、より低抵抗の素子を作製することができる。
また、上記透明化の方策は、ｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ混晶からなる超格子構造（本出願人による特開２０００−２９４８８４号に記載）を採用することにより、透明性が高く、より低抵抗の素子を作製することができる。また、この構造は平均Ａｌ組成が高く、バンドギャップの大きい層においても高い正孔濃度を実現することが容易であることから、ｐ型ＧａＮ層を介することなく直接ｐ型オーミック接触を得るこが可能である。
また、ｐ型オーミック接触金属として、酸化に対しても耐性の優れたＰｄを採用すると、表面が酸化されやすい３０％以上のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ混晶でもオーミック接触が可能となる。
この両者のオーミック接触技術（ＡｌＧａＮ混晶からなる超格子構造とＰｄオーミック接触金属）を組み合わせることにより高Ａｌ組成でバンドギャップが広い、すなわち、紫外域でもより透明な材料で低抵抗なｐ型オーミック接触が可能となる。この組み合わせを上記透明化の方法と合わせることにより、発光出力が高く低抵抗の素子を作製することができる。
【００１４】
以上説明したように、本実施の形態１では、発光層であるＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）発光層６を含む発光ダイオード構造（アンドープＡｌＧａＮ層４からＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１まで、およびｐ型電極１２、パッド電極１３、ｎ型電極１４）の下層に窒化アルミニウム層である低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３を有し、発光ダイオード構造と低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３の少なくとも一部との間に再成長界面を有しないという構成になっている。再成長界面を有しないというのは、低温成長ＡｌＮ層２、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３の少なくとも一部を大気にさらすことなく、発光ダイオード構造と連続して形成するという意味である。
また、ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層３の少なくとも一部が、結晶表面に形成した擬液相状態のアルミニウムを窒化して得られた窒化アルミニウム層を含むという構成になっている。
また、発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であるという構成になっている。発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であるという構成により、赤色の蛍光体の励起効率が高く、電球色の照明やディスプレイに有利である。
また、発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であるという構成になっている。発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であるという構成により、長波長側の発光が青色まで伸びるためにディスプレイや白色光源に不向きであるという問題を解決できる。
また、アルミウムを含む窒化物半導体混晶の複数の層からなるｎ型またはｐ型にドーピングした超格子構造（ｎ型ＡｌＧａＮＳＰＡＳＬ層７またはｐ型ＡｌＧａＮＳＰＡＳＬ層１２）を有するという構成になっている。
また、ｎ型不純物としてＳｉを用いた構成になっている。
また、ｐ型不純物としてＭｇを用いた構成になっている。
また、超格子構造が、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期混晶超格子からなるという構成になっている。１分子層対１分子層の超格子で、１ｎｍより薄くするのは無意味である。また、分極効果でバンドギャップが小さくなるのが４ｎｍの厚さより大きい場合であり、従って周期は８ｎｍ以下である。
また、ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層（ｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１）とｐ側電極１２を直接接触させたという構成になっている。
また、ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層として、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期ＡｌＧａＮ混晶超格子（ｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層１１）からなるという構成になっている。
また、ｐ側電極１２として、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＰｄ層と、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＡｕ層を少なくとも積層したという構成になっている。厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下というのは、上部から光を取り出す際に約２５％の透過率があるからである。
また、Ａｕ層（ｐ側電極１２の一部）の上に、少なくともＡｕ層を含む厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の第１の金属層（パッド電極１３の一部）を有するという構成になっている。厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下というのは、ワイヤボンディングが容易にできる厚さである。
また、Ａｕ層と第１の金属層との間に、厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１つからなる第２の金属層（パッド電極１３の一部）を有するという構成になっている。厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下というのは、原子層１層以上であり、付着力が増加する。１０００ｎｍ以上は、大きな変化がないので必要ない。
また、第１の金属層と第２の金属層との間に厚さ５０ｎｍ以上のＡｌ層を有するという構成になっている。
また、発光層の発光波長のバンドギャップを有する層（発光層のうち井戸層に対応）の厚さが５ｎｍ以下であるという構成になっている。４ｎｍまでが空間的直接遷移により発光強度が高い。４〜５ｎｍは、ドーピングにより発光強度を増強可能であり、５ｎｍ以上は過剰なドーピングが必要になり結晶性が低下する。
また、発光層が厚さ４ｎｍ以下の単層の量子井戸からなるという構成になっている。ドーピングが少なくても空間的直接遷移により発光強度が高い。
また、量子井戸がＡｌを含む窒化物半導体層からなるという構成になっている。
以上説明したように、本実施の形態１によれば、ＡｌＧａＮ混晶をベースとする紫外発光ダイオードに、連続成長したＡｌＮバッファ層や超格子構造、Ｐｄオーミック金属、単層量子井戸構造、ブロッキング層等を組み合わせることにより、従来発光ダイオード素子の内部に有していた発光波長において光を吸収する層を解消することが可能となり、光の取り出し効率の高い発光ダイオードを実現することが可能になる。
【００１５】
実施の形態２
図４は本発明の紫外発光ダイオードの別のタイプの実施の形態２の構造を説明する図である。
Ｃ面正方位（±２°以内）のサファイア基板４１上に高温成長ＡｌＮ層４２（厚さ約３００ｎｍ。ＭＲＳ Ｆａｌｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ２００１， Ｖｏｌ．１９， ｐ．３に記載）を設けた基板を使用する。ドーピング専用のＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長法）装置に入れ、アンドープＡｌＮ層４３（厚さ約３０ｎｍ）をホモエピタキシャル成長させる。さらに、下層から、アンドープＡｌＧａＮ層４４（厚さ約７００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層４５（厚さ約２３００ｎｍ、Ａｌ組成約２０％）、Ｓｉドープｎ型短周期混晶超格子層４６（厚さ約１５０ｎｍ、周期約３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層４７（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、ＡｌＧａＮ単一量子井戸発光層４８（バリア層Ａｌ組成約８％、量子井戸Ａｌ組成約４％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層４９（厚さ約３０ｎｍ、Ａｌ組成約３０％）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層５０（厚さ約９０ｎｍ、周期的３ｎｍ、平均Ａｌ組成約２０％、組成変調約４％）である。
【００１６】
ホモエピタキシャルＡｌＮ層４３の成長温度は１１００℃、他の層は高温（１０００〜１１００℃）で、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇの有機金属、シラン、アンモニアを用いて成長している。
さらに、このようにして形成した発光ダイオード用基板を用いて発光ダイオード素子を作製した。
図４の構造では、基板として高温成長ＡｌＮ層４２付きサファイア基板４１を記載しているが、ＡｌＮバルク基板でも、紫外域で透明であるので使用することが可能である。
発光ダイオード用基板の最終層のｐ型短周期混晶超格子層５０は、ｐ型コンタクト層でもあり、その上にＰｄ（厚さ約１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約３０００ｎｍ）からなるミラー兼用ｐ型オーミック電極５１を設けている。さらに、その上にＰ型オーミック電極５１の一部を被覆するＴｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＡｌ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）もしくはＮｉ（厚さ約２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるパッド電極５２を設けている。また、ｐ型オーミック電極５１の周囲は、図４に示すごとく、塩素ガスを用いた電子サイクロトロンプラズマエッチング（ＥＣＲエッチング）で、ｎ型短周期混晶超格子層４６までエッチングして、露出した面にＴｉ（厚さ約０．５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ約１００ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ約４０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ約２００ｎｍ）からなるｎ型オーミック電極５３を形成した。
【００１７】
図１の実施の形態１では、パッド電極１３が半透明ｐ型電極１２のごく一部を被覆しているだけであるが、図４では、基板４１の下面から発光を取り出すために、ｐ型電極５１をほぼ前面に設け、電極厚さも２０ｎｍ以上のＰｄを使うことによる反射の効果を利用している。さらに、下面から発光を取り出す場合、発光ダイオード用基板側から５ｎｍ以下のＰｄ、Ａｕ、Ｔｉ層を積層し、その上に２０ｎｍ以上の厚さのＡｌ層とＡｕ層を設けることにより、紫外域で反射強度の高いＡｌ層の反射を利用してい下面側からの発光を増加させることが可能である。
さらに、Ａｌ層とＡｕ層との間の相互拡散を抑制するために、Ｔｉ層やＰｔ層等の障壁金属層を両層間に設けることも有効である。
【００１８】
図５は本発明に従って作製した発光ダイオード用で、ｐ型電極のミラー効果を利用して、基板側から発光させる例（図５中左下の例）を説明する図である。太い矢印は、取り出した発光を示す。
ｐ型ミラー電極を用いた裏面発光型素子は、半透明電極を用いた素子の裏面発光に比較して約５０％増加し、半透明電極を用いた素子の上面発光を用いた場合の約３倍、さらにＧａＮのような紫外光吸収のある層を用いた場合の約６倍の発光出力を得ることができた。さらに、本発光ダイオードをチップ化し、フリップチップボンディングしたところ、発光出力の飽和電流が４０ｍＡから７０ｍＡに増加する効果が得られた。これは厚いｐ型ミラー電極とボンディングに使用したバンプ金属と熱接触が優れており、素子駆動の際の発熱を効率的に拡散させたためであり、高出力動作に適している。
【００１９】
上記のように、本実施の形態２では、窒化アルミニウム層（高温成長ＡｌＮ層４２、アンドープＡｌＮ層４３）の少なくとも一部が、サファイア基板４１上に１０００℃以上の高温で成長して得られた窒化アルミニウム層（高温成長ＡｌＮ層４２（Ｍａｔ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ． Ｖｏｌ．６９３ Ｉ３．４８．１参照）、アンドープＡｌＮ層４３）を含むという構成になっている。１０００℃以上で成長すると、らせん転位のほとんど無い結晶性に優れたＡｌＮ層が得られる。
また、窒化アルミニウム層の少なくとも一部に、バルクＡｌＮ結晶（ＡｌＮバルク基板）を含むという構成にしてもよい。
また、ｐ側電極５１として、厚さ１００ｎｍ以上のＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉの少なくとも１つを用いて、正孔注入領域全面にわたって表面を覆ってミラーを形成し、発光を基板裏面から取り出すという構成になっている。厚さ１００ｎｍ以上で、ミラー効果が得られる。
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、Ｉｎ（インジウム）を導入したり、Ｂ（ホウ素）を導入した紫外発光素子にも適用することが可能である。また、発光ダイオードだけでなく、光ガイド層を有するレーザー構造にも適用可能である。さらに、基板や窒化物の組成などが種々変更可能であることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来発光ダイオード素子の内部に有していた発光波長において光を吸収する層を解消することが可能となり、光の取り出し効率の高い発光ダイオードを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の素子構造を説明する断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１により透明性が向上したことを説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１により発光強度が増加したことを説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態２の素子構造を説明する断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２のｐ型電極のミラー効果を利用して、基板側から発光させる例を説明する図である。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…低温成長ＡｌＮ層
３…ｐＬＰＥ−ＡｌＮ層
４…アンドープＡｌＧａＮ層
５…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層
６…ＳｉドープＡｌＮ格子緩和層
７…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子（ＳＰＡＳＬ）層
８…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層
９…ＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）発光層
１０…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層
１１…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層
１２…ｐ型オーミック電極
１３…パッド電極
１４…ｎ型オーミック電極
４１…サファイア基板
４２…高温成長ＡｌＮ層
４３…ホモエピタキシャル成長アンドープＡｌＮ層
４４…アンドープＡｌＧａＮ層
４５…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層
４６…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子（ＳＰＡＳＬ）層
４７…Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮブロッキング層
４８…ＡｌＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）発光層
４９…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮブロッキング層
５０…Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ短周期混晶超格子層
５１…ｐ型オーミック電極
５２…パッド電極
５３…ｎ型オーミック電極
Claims (20)
- 発光層を含む発光ダイオード構造の下層に窒化アルミニウム層を有し、前記発光ダイオード構造と前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部との間に再成長界面を有しないことを特徴とする発光ダイオード。
- 前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部が、結晶表面に形成した擬液相状態のアルミニウムを窒化して得られた窒化アルミニウム層を含むことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
- 前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部が、サファイア基板上に１０００℃以上の高温で成長して得られた窒化アルミニウム層を含むことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
- 前記窒化アルミニウム層の少なくとも一部に、バルクＡｌＮ結晶を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光ダイオード。
- 前記発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３７５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発光ダイオード。
- 前記発光層の下層および上層に、窒化ガリウム層、炭化ケイ素層、ケイ素結晶が存在せず、発光強度の少なくとも５０％以上が３６３ｎｍ以下の波長であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発光ダイオード。
- アルミウムを含む窒化物半導体混晶の複数の層からなるｎ型またはｐ型にドーピングした超格子構造を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発光ダイオード。
- ｎ型不純物としてＳｉを用いたことを特徴とする請求項７記載の発光ダイオード。
- ｐ型不純物としてＭｇを用いたことを特徴とする請求項７記載の発光ダイオード。
- 前記超格子構造が、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期混晶超格子からなることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか記載の発光ダイオード。
- ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層とｐ側電極を直接接触させたことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか記載の発光ダイオード。
- 前記ｐ型のＡｌを含む窒化物半導体層として、超格子の周期が１ｎｍ以上８ｎｍ以下の短周期ＡｌＧａＮ混晶超格子からなることを特徴とする請求項１１記載の発光ダイオード。
- ｐ側電極として、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＰｄ層と、厚さ０．２５以上１０ｎｍ以下のＡｕ層を少なくとも積層したことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか記載の発光ダイオード。
- 前記Ａｕ層の上に、少なくともＡｕ層を含む厚さ１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の第１の金属層を有することを特徴とする請求項１３記載の発光ダイオード。
- 前記Ａｕ層と前記第１の金属層との間に、厚さ０．２５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒの少なくとも１つからなる第２の金属層を有することを特徴とする請求項１４記載の発光ダイオード。
- 前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に厚さ５０ｎｍ以上のＡｌ層を有することを特徴とする請求項１５記載の発光ダイオード。
- 前記発光層の発光波長のバンドギャップを有する層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか記載の発光ダイオード。
- 前記発光層が厚さ４ｎｍ以下の単層の量子井戸からなることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか記載の発光ダイオード。
- 前記量子井戸がＡｌを含む窒化物半導体層からなることを特徴とする請求項１８記載の発光ダイオード。
- ｐ側電極として、厚さ１００ｎｍ以上のＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉの少なくとも１つを用いて、正孔注入領域全面にわたって表面を覆ってミラーを形成し、発光を基板裏面から取り出すことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか記載の発光ダイオード。
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