JP2005056922A

JP2005056922A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2005056922A
Application number: JP2003206217A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ishikawa; 努石川
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: US7196347B2; JP3839799B2; US20050029528A1

Abstract

【課題】発光部形成層とサファイア基板との間に多層反射層を設け、発光部形成層で発光した光を多層反射層で反射させて取り出すＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子が開発されている。
この半導体発光素子では、多層反射層は抵抗値が高く消費電力が大きいため、なるべく陰極電極より下側に設けることが望まれる。一方、発光部形成層で発光した光の反射効率を高めるために、多層反射層は、なるべく発光部に近い位置に設けることが望まれる。
しかし、多層反射層を発光部形成層に近づけると、陰極電極付近の抵抗値が高くなり、発光部形成層の一部分しか発光しないという問題が発生する。一方、多層反射層を下げると、発光部形成層で発光した光が多層反射層に到達するまでに吸収されてしまう。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明は、超格子層を発光部形成層と陰極電極との間に設ける。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子に関する。特に、多層反射層および超格子層を備える化合物半導体からなる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に、従来のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子を示す。
図１において、５７はサファイア基板、５５はｎ型の半導体層、６１は多層反射層、５６は陰極電極、５４は活性層、５３はｐ型の半導体層をそれぞれ示す。
Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子は、元になる半導体基板を良質で大型のバルク結晶によって製造できないため、通常、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体をサファイアからなる絶縁基板上へ結晶成長させることで製造した半導体基板上に種々の処理工程を行い、製造する（例えば、特許文献１参照。）。それゆえ、活性層５４で発光した光は、通常ｐ型の半導体層５３の側から取り出され、その取り出し効率を増加させるために、活性層５４とサファイア基板５７との間に多層反射層６１を設け、活性層５４で発光した光を多層反射層６１で反射させ、ｐ型の半導体層５３の側から取り出す半導体発光素子が開発されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
この半導体発光素子では、多層反射層６１は抵抗値が高く単位電流量あたりの消費電力が大きいため、なるべく陰極電極５６より下側、つまりサファイア基板５７の側へ近づけた位置に設けることが望まれる。一方、活性層５４で発光した光の反射効率を高めるために、多層反射層６１は、なるべく活性層５４に近い位置に設けることが望まれる。
【０００４】
しかし、陰極電極５６より下側に位置する多層反射層６１を活性層５４の方に近づけ、多層反射層６１と陰極電極５６との距離が短くなると、陰極電極５６付近の抵抗値が高く半導体発光素子の単位電流量あたりの消費電力が大きくなる。
また、陰極電極５６から供給される電子が活性層５４の偏った領域に供給され、活性層５４の一部分しか発光しないという問題が発生する。一方、多層反射層６１を下げ、活性層５４との距離が離れると、活性層５４で発光した光が多層反射層６１によって効果的に反射されないという問題が発生する。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−１１９１９６号公報（第（１）頁〜第（７）頁）
【特許文献２】
特開平０７−１７６７８８号公報（第（１）頁〜第（７）頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、消費電力を小さくすることが可能で、かつ発光部形成層に含まれる発光部分を均一に発光させることが可能な、半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子であって、少なくとも、基板と、該基板上に形成された多層反射層と、該多層反射層上に形成された超格子層と、該超格子層上に形成された少なくとも第２導電型半導体層および第１導電型半導体層を順に含む発光部形成層と、を順に備え、ｎ型またはｐ型の半導体からなる該第１導電型半導体層に第１電極が電気的に接続されており、該第１導電型半導体層と反対の極性を持つｎ型またはｐ型の半導体からなる該第２導電型半導体層または該超格子層に第２電極が電気的に接続されている半導体発光素子である。
【０００８】
本願発明において、前記第２導電型半導体層または前記超格子層の少なくとも一方に露出した領域を有しており、該露出した領域上に前記第２電極を配置することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、図２、図３を用いて説明する。図２および図３は、本願発明の実施の形態の１例を示した図である。図２および図３において、１２は第１電極、１３は第１導電型半導体層、１５は第２導電型半導体層、１４は発光部形成層、１６は第２電極、１７は基板、２１は多層反射層、２２は超格子層をそれぞれ示す。
【００１０】
本実施の形態では、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子であって、少なくとも、基板１７と、基板１７上に形成された多層反射層２１と、多層反射層２１上に形成された超格子層２２と、超格子層２２上に形成された少なくとも第２導電型半導体層１５および第１導電型半導体層１３を順に含む発光部形成層１４と、を順に備え、ｎ型またはｐ型の半導体からなる第１導電型半導体層１３に第１電極１２が電気的に接続されており、第１導電型半導体層１３と反対の極性を持つｎ型またはｐ型の半導体からなる第２導電型半導体層１５または超格子層２２に第２電極１６が電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
半導体発光素子に多層反射層２１を用いる場合、半導体発光素子への多層反射層２１の抵抗値の影響を軽減し半導体発光素子の単位電流量あたりの消費電力を下げるために、多層反射層２１を第２電極１６の下側に配置したほうがよい。一方、発光部形成層１４と多層反射層２１との距離が長くなると、発光部形成層１４で発光した光が多層反射層２１で効率的に反射されない。そのために、多層反射層２１は、第２電極１６より下側であって、かつなるべく第２電極１６に近い位置に配置したほうが望ましい。
【００１２】
しかし、第２電極１６を多層反射層２１に近づけると、第２電極１６と多層反射層２１との間の抵抗値が上昇し、半導体発光素子の単位電流量あたりの消費電力が大きくなってしまう。また、電子は、第２電極１６から発光部形成層１４まで、なるべく抵抗値の勾配の緩やかな部分を通過するために、発光部形成層１４に電流が偏って供給され、発光部形成層１４に含まれる発光部分の一部分しか発光しないという問題が生じる。この問題を解決するために、本実施の形態では、図２に示すように、超格子層２２を発光部形成層１４と多層反射層２１との間に設け、第２電極１６を第２導電型半導体層１５または超格子層２２に設けることによって、第２電極１６と発光部形成層１４との間の抵抗値を下げることが可能となる。
【００１３】
ここで、多層反射層とは、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎで表される窒化物系化合物半導体からなる低屈折率を有する層と、高屈折率を有する層とを交互に積層し、高い反射率を有するようにした多層であり、一般的にＤＢＲ分布ブラッグ反射膜と呼ばれているものである。多層反射層の各層の厚みは、活性層から発光される光の波長などによって決まり、λ／（４ｎ）（ただし、λ：活性層から発光される光の波長、ｎ：多層反射層の各層の屈折率）により求められる。また、多層反射層の各層の屈折率は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの比率によって変えることができ、適宜所望の組成にすることで、種々の反射率を有する多層反射層を形成することができる。
【００１４】
図２に示される例では、基板１７に接するようにＧａＮとＡｌＧａＮからなる多層反射層２１が形成されることを想定しているが、これらの組成に限定されず、さらには、基板１７に直接接して形成されることを要しない。具体的には、基板１７と多層反射層２１との間にバッファ層を介してもよいし、それ以外の機能を果たす層を介してもよい。例えば、バッファ層としては、低温で成長されるＧａＮやＡｌＮなど種々のものが考えられる。なお、多層反射層２１は、電流通路として用いるわけではないので、第１導電型でも第２導電型のどちらであってもよい。
【００１５】
また、超格子は、一般的には、ある周期を有する結晶格子が、それよりもさらに大きな周期構造により変調を受けている格子構造をいう。本願実施の形態では、超格子層２２は、一般的な超格子のうち、相対的に禁制帯幅に差のある２種の物質を交互に積層した構造を持つ超格子からなる層を用いる。超格子層２２を構成している、禁制帯幅の狭い層および禁制帯幅の広い層では、電子または正孔が閉じ込められている。
【００１６】
本実施の形態では、超格子層２２を構成している禁制帯幅の狭い層および禁制帯幅の広い層の厚さを電子または正孔のドブロイ波長程度にし、禁制帯幅の狭い層および禁制帯幅の広い層に垂直な方向の電子または正孔の移動を制限して、禁制帯幅の狭い層および禁制帯幅の広い層に平行な方向の電子または正孔の移動を自由にすることにより、禁制帯幅の狭い層および禁制帯幅の広い層の内部に電子または正孔を均一に分散させることができる。つまり、本実施の形態による半導体発光素子では、第２電極１６から注入された電流を横方向に流す役割を持っており、発光部形成層１４への電流の供給が均一となる結果、発光部形成層１４に含まれる発光部分を均一に発光させることができる。また、超格子層２２の内部に電子または正孔を拡散させることができることから、超格子層２２の抵抗値が必然的に小さくなり、単位電流量あたりの消費電力を小さくすることが可能である。
【００１７】
なお、本願発明は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子であるため、超格子層２２として、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎで表される窒化物系化合物半導体からなる複数の層を積層した層とすることが可能である。また、この超格子層２２の各層は、歪に耐えうる臨界膜厚以下、おおよそ１０ｎｍ以下の厚さとすることが必要である。この臨界膜厚以下で各層を形成することにより、歪が緩和され、結晶欠陥も低減され、超格子層２２上に積層される層も、良質なものとなる。
【００１８】
また、超格子層２２は、第２導電型半導体層１５と同じ極性を持つ層からなるが、必ずしもドーピングを必要とするわけではない。すなわち、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系化合物半導体は、ドーピングしなければｎ型になるため、超格子層２２をｎ型とする場合には、ｎ型ドーパントをドーピングしてもよいし、しなくてもよい。
【００１９】
また、本実施の形態では、超格子層２２は多層反射層２１に直接接して形成されることを要しない。具体的には、多層反射層２１と超格子層２２との間にバッファ層を介してもよいし、それ以外の機能を果たす層を介してもよい。例えば、バッファ層としては、高温で成長されるＧａＮなど種々のものが考えられる。
【００２０】
また、本実施の形態では、図３に示されるように、超格子層２２の一部が露出した部分を形成し、この部分と第２電極１６とを直接接するように、超格子層２２にコンタクト層としての働きをさせてもよい。この場合、第２電極１６と超格子層２２との間に介在する層が全くないため、発光部形成層１４へ電流が到達するまでの距離を短くすることが可能となるとともに、多層反射層２１を発光部形成層１４に最も近くできることとなり発光部形成層１４で発光した光の反射効率を高めることが可能となる。
【００２１】
また、本実施の形態では、発光部形成層１４は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系化合物半導体からなり、超格子層２２上に形成され、少なくとも第２導電型半導体層１５と第１導電型半導体層１３とを順に備えた層であり、さらに、第２導電型半導体層１５と第１導電型半導体層１３との間に活性層を備え、ダブルヘテロ接合とすることが発光効率を向上させる点で好ましい。なお、活性層を有しない場合であっても、本発明の範囲内であることには変わりない。
【００２２】
また、活性層は、バルク構造によるもの、あるいは単一量子井戸構造や多重量子井戸構造など、その種類は問わない。図２に示される例では、Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ（ただし、０≦ｙ≦１）からなるバルク結晶によるものを想定しているが、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を採用する場合には、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を構成する井戸層として、バンドギャップの小さい層、障壁層として、バンドギャップの大きい層を用いることになり、たとえば、井戸層として、Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ（ただし、０≦ｙ≦１）からなる層、障壁層として、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ＋ｙ＝１）からなる層などを用いることが可能である。
【００２３】
また、本実施の形態では、第２導電型半導体層１５は、ｎ型またはｐ型のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系化合物半導体からなり、単層であっても多層であってもよい。本発明では、第２導電型半導体層１５と多層反射層２１との間に超格子層２２を挟んでおり、超格子層２２の横方向に対する電流の流れやすさを利用しているため、第２導電型半導体層１５の層厚は、従来のものより薄くすることが可能である。たとえば、図２に示される例では、第２導電型半導体層１５は、クラッド層としての機能および第２電極１６とオーミックコンタクトをとるコンタクト層としての機能を発揮する単層のｎ型またはｐ型のＧａＮからなる層を想定しているが、コンタクト層とクラッド層とを別の層として形成してもよい。さらに、他の働きを持つ層、たとえば、第２導電型半導体層１５の極性に合わせて、正孔または電子バリア層などを有してもよい。
【００２４】
また、本実施の形態では、第１導電型半導体層１３とは、第２導電型半導体層１５と反対の極性を持ち、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系化合物半導体からなり、単層であっても多層であってもよく、層厚も要求に応じて適宜調整される。例えば図２に示される例では、第２導電型半導体層１５と反対の極性を持つＡｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ＋ｙ＝１）クラッド層と第２導電型半導体層１５と反対の極性を持つＧａＮコンタクト層とからなる２層構造を想定しているが、コンタクト層としての機能およびクラッド層としての機能を発揮する単層であってもよいし、超格子構造を有する層であってもよい。さらに、他の働きを持つ層、たとえば、第１導電型半導体層１３の極性に合わせて、正孔または電子バリア層などを有してもよい。
【００２５】
また、本実施の形態では、第１電極１２は、第１導電型半導体層１３に電気的に接続されており、第１導電型半導体層１３とオーミックコンタクトをとれるものであればよい。たとえば、第１導電型半導体層１３がｎ型の場合には、Ｔｉ／Ａｌなどからなり、第１導電型半導体層がｐ型の場合には、Ｎｉ／Ａｕ、ＺｎＯ、ＩＴＯなど、いずれのものを用いても、発光部形成層１４から出射される光に対して透明または透明に近いものからなる。
【００２６】
また、本実施の形態では、第２電極１６とは、第２導電型半導体層１５に電気的に接続されており、第２導電型半導体層１５とコンタクトをとれるものであればよい。好ましくは、第２導電型半導体層１５または超格子層２２の少なくとも一方に露出したたとえば、第２導電型半導体層１５がｎ型の場合には、Ｔｉ／Ａｌなどからなり、第２導電型半導体層１５がｐ型の場合には、Ｎｉ／Ａｕ、ＺｎＯ、ＩＴＯなど、いずれのものを用いても、活性層から出射される光に対して透明または透明に近いものからなる。なお、図３に示されるように、第２導電型半導体層１５の一部が露出しており、露出部に第２電極１６が形成されていることが、製造方法を容易にすることができるため好ましい。すなわち、この構造では、すべての層の形成後、フォトリソグラフィ、エッチング工程などを行うだけで形成できる点で好ましい。なお、この位置に限定されることはなく、第２電極１６と電気的に接続される位置で、本願発明の効果を発揮できる位置に設ければよいことは言うまでもない。
【００２７】
また、本実施の形態では、基板１７は、絶縁性基板または第１導電型からなる基板であることが無効電流を低減する意味で好ましい。すなわち、基板１７が第２導電型からなる場合、第２電極１６から注入された電流が、発光部形成層１４の方向へ流れるだけでなく、基板１７の側へも流れることとなり、この基板１７の側へ流れた電流が無効電流となるからである。従って、サファイア、ＳｉＣまたはＧａＮなどからなる基板であって、上記条件を満足するものであればよい。また、基板１７としてサファイア基板を用いる場合、その主面は、Ｃ面、Ｒ面、Ａ面を問わない。
【００２８】
【実施例】
以下、図４を参照して本願発明の実施例について説明する。
図４において、７０は基板、７１は低温バッファ層、７２は多層反射層、７３は高温バッファ層、７４は超格子層、７５は第２導電型半導体層、７６は活性層、７７は第１導電型半導体層、７８はコンタクト層、７９は第１電極、８０は第２電極、をそれぞれ示す。
【００２９】
まず、サファイアからなる基板７０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を原料として、比較的低温で、ｎ型ＧａＮ等からなる、層厚が０．０１〜０．２μｍ程度の低温バッファ層７１を形成し、ついで、層厚をそれぞれ４０ｎｍ程度とした、ｎ型Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ（たとえばｘ＝０、ｙ＝０．９８）とｎ型ＡｌＧａＮ（たとえばｘ＝０．２、ｙ＝０．８）からなる多層反射層７２を、１０ペアで合計２０層形成する。その後、７００〜１２００℃程度の高温で、層厚が０．０１〜１μｍ程度の、ｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層７３を形成し、ついで、それぞれの層厚を２ｎｍ程度とした、ｎ型のＧａＮとｎ型Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（たとえば、ｙ＝０．０２）からなる層を、１０ペアで合計２０層の超格子層７４を形成する。その後、層厚が０．１〜５μｍ程度の、ｎ型ＧａＮからなる第２導電型半導体層７５を形成する。
【００３０】
次に、ノンドープまたはｎ型もしくはｐ型のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（たとえば、ｙ＝０．０６）からなる活性層７６を０．０５〜０．１μｍ程度の厚さに形成する。ついで、第１導電型半導体層７７である、ｐ型ＡｌＧａＮ（たとえばｚ＝０．１５）層を０．０１〜０．３μｍ程度、さらにｐ型のＧａＮからなるコンタクト層７８を０．３〜２μｍの厚さに形成する。
【００３１】
前述の第２導電型半導体層７５をｎ型とするためには、Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｅをＳｉＨ_４、ＧｅＨ_４、ＴｅＨ_４などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入する。ただし、ｎ型の場合は不純物を混入しなくても成膜時に窒素が蒸発しやすく自然にｎ型になるため、その性質を利用してもよい。
【００３２】
その後、ＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの保護膜を半導体層の成長膜表面全面に設け、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニールを行い、ｐ型である第１導電型半導体層７７の活性化を行う。なお、保護膜を設けることなくアニールしてもよい。
【００３３】
アニールが完了すると、レジスト膜などのマスクを設けて第２導電型半導体層７５が露出するまで、積層された半導体層をエッチングする。このエッチングはたとえばＣｌ_２およびＢＣｌ_３の混合ガスの雰囲気の下で、反応性イオンエッチングにより行われる。
【００３４】
ついで、第１電極７９および第２電極８０として、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｌなどの金属膜をスパッタリングや蒸着などにより形成する。最終的に基板７０をラッピングした後、各チップにダイシングして、半導体発光素子が形成される。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体発光素子において、正孔または電子を超格子層に拡散させることが可能となり、消費電力を下げ、また、発光部形成層に含まれる発光部分を均一に発光させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子である。
【図２】本願発明の実施の形態の１例を示した図である。
【図３】本願発明の実施の形態の１例を示した図である。
【図４】本願発明の実施例を示した図である。
【符号の説明】
１２：第１電極
１３：第１導電型半導体層
１４：発光部形成層
１５：第２導電型半導体層
１６：第２電極
１７：基板
２１：多層反射層
２２：超格子層
５３：ｐ型の半導体層
５４：活性層
５５：ｎ型の半導体層
５６：陰極電極
５７：サファイア基板
６１：多層反射層
７０：基板
７１：低温バッファ層
７２：多層反射層
７３：高温バッファ層
７４：超格子層
７５：第２導電型半導体層
７６：活性層
７７：第１導電型半導体層
７８：コンタクト層
７９：第１電極
８０：第２電極

Claims

Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子であって、少なくとも、基板と、該基板上に形成された多層反射層と、該多層反射層上に形成された超格子層と、該超格子層上に形成された少なくとも第２導電型半導体層および第１導電型半導体層を順に含む発光部形成層と、を順に備え、ｎ型またはｐ型の半導体からなる該第１導電型半導体層に第１電極が電気的に接続されており、該第１導電型半導体層と反対の極性を持つｎ型またはｐ型の半導体からなる該第２導電型半導体層または該超格子層に第２電極が電気的に接続されている半導体発光素子。
前記第２導電型半導体層または前記超格子層の少なくとも一方に露出した領域を有しており、該露出した領域上に前記第２電極を配置した請求項１に記載の半導体発光素子。