JP2005294876A

JP2005294876A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

Info

Publication number: JP2005294876A
Application number: JP2005198333A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Oku; 保成奥; Hidenori Kamei; 英徳亀井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができる新規な構造を提供することを目的とする。
【解決手段】ｎ型のＧａＮからなる基板１の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層２と活性層３とｐ型クラッド層との積層構造が設けられ、前記基板１に接続される電極を有する半導体発光素子において、前記電極を、前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記基板１の表面に直接接して設けることによって、主発光面側に配置される電極を不要とし発光素子直上の配光分布を均一なものとすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオードに利用される半導体発光素子に係り、特に窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用いた窒化ガリウム系化合物発光素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになっており、青色や緑色の発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。

可視光で発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基本的には、サファイアやＳｉＣ等からなる基板の上にバッファ層を介して、ｎ型クラッド層と、発光層となるＩｎＧａＮからなる活性層と、ｐ型クラッド層とを積層させたものが主流である。特に、近来では、基板にサファイアを用い、有機金属気相成長法により、ＧａＮやＡｌＮ等からなる低温成長バッファ層を介してダブルへテロ構造を成長させたものは、高輝度で信頼性が高く、屋外用のパネルディスプレイ用発光ダイオード等に広く用いられるようになってきている。

しかしながら、最近、ＧａＮからなる基板が作製されるようになり、これを用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子がいくつか提案されるようになってきている。例えば、特許文献１には、ＧａＮを基板とし基板の上にｐ−ｎ接合を含む積層体を形成させた青色発光素子が開示されている。この公報によれば、ＧａＮを基板として用い他の赤色発光ダイオード等と同様に対向する電極の間に基板が存在する構造が可能となり、電極位置に対する制約をなくすることができるとされている。

また、特許文献２においては、ｎ型ＧａＮからなる基板を用い、基板の側を主発光面側とすることができる発光素子が開示されている。

図２は、上記公報において示された従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。ｎ型のＧａＮからなる基板１１の上には、ｎ型クラッド層１２と、活性層１３と、ｐ型クラッド層１４とが順次積層されており、基板１１の積層面側でない一面の上の一部にｎ側電極１５が設けられ、ｐ型クラッド層１４の上の全面にわたってｐ側電極１６が設けられている。ｐ側電極１６を下向きに実装することにより、ｎ側電極１５を設けた面の側を主発光面側とし、面発光を得ることができる。このような構成によれば、電流−光出力特性が改善された安価な発光素子を提供することができるとされている。
特開平７−９４７８４号公報特開平１０−１５０２２０号公報

図２に示す構造の発光素子においては、ＧａＮからなる基板１１が活性層１３からの発光に対し透明であるので、基板１１に設けたｎ側電極１５の側を主発光面とすることができる。このｎ側電極１５は、通常、ワイヤボンディング用のパッドとして用いられるため、発光に対し透過性を有しない程度の厚膜で形成される。

したがって、この電極の下の活性層１３で発せられ基板１１の主発光面の側へ向かう光は、厚膜のｎ側電極１５で遮られてしまうこととなる。このため、発光素子の上方における配光特性は、ｎ側電極１５を形成した領域の上部で落ち込む凹状の分布となる。このような分布の配光特性は、発光素子直上で均一な配光特性と高い発光強度を必要とする用途においては望ましくないという問題がある。

このような凹状の分布を回避しようとして主発光面となる基板１１の面積を大きくするためにｎ側電極１５のサイズを小さくすると、ワイヤボンディングの作業が困難となるので、ｎ側電極１５のサイズを小さくすることは好ましくない。したがって、ボンディング等の電気的接続の作業性を確保してもなお発光特性を改善することができる発光素子が望まれている。

本発明において解決すべき課題は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができる新規な構造を提供することである。

本発明は、ｎ型のＧａＮからなる基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層との積層構造が設けられ、前記基板に接続される電極を有する半導体発光素子であって、前記電極は、前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記基板の表面に直接接して設けられ、基板の側を主発光面側とすることを特徴とする。

このような構成によれば、基板の側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善することができるとともに、発光強度を高く保持することが可能となる。

本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができるので、発光素子直上で均一な配光分布が望まれる表面実装型発光ダイオードや発光素子を基板上に複数配列させたライン状光源などの用途に好適に用いることができる。

また、発光素子直上での発光強度を高く保持することができるので、従来の砲弾形状の樹脂レンズ付き発光ダイオードにも用いることができる。

さらに、ｎ側電極の配置とｎ型クラッド層の電子濃度の条件を特定することにより、ｎ型の基板とｎ型クラッド層における電流広がりが確保されるので、ｎ側電極のサイズを小さくすることが可能となる。このため、Ａｕバンプ等による電気的接続を用いることができるので、電極サイズによるワイヤボンディング等の作業性の制約が解消され、電気的接続の作業性が確保される。

請求項１に記載の発明は、ｎ型のＧａＮからなる基板の上に、少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層との積層構造が設けられ、前記基板に接続される電極を有する半導体発光素子であって、前記電極は、前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記基板の表面に直接接して設けられ、基板の側を主発光面側とすることを特徴とするものであり、基板側を主発光面側とする場合に発光素子直上での配光特性をほぼ均一なものとすることができるという作用を有する。

以下に、本発明の実施の形態の具体例を、図１を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１に、本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。

図１において、ｎ型のＧａＮからなる基板１の上に、ＧａＮからなるｎ型クラッド層２と、ＩｎＧａＮからなる活性層３と、ＧａＮからなる第一ｐ型クラッド層４と、ＡｌＧａＮからなる第二ｐ型クラッド層５と、ＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層６とが、順次積層されている。ｐ型コンタクト層６の表面上にはｐ側電極７が形成されており、ｐ型コンタクト層６の表面側から、ｐ型コンタクト層６と第二ｐ型クラッド層５と第一ｐ型クラッド層４と活性層３とｎ型クラッド層２と基板１の一部をエッチングにより除去して露出された基板１の表面上に、ｎ側電極８が形成されている。

基板１には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体を使用することができる。中でも、製造が比較的容易で、かつ比較的結晶性の良好なものが得られるＧａＮからなるものを使用することが好ましい。基板１にはＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲に制御されたものを用いる。電子濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3よりも低くなると、抵抗率が高くなり基板１に注入された電子が基板１で広がりにくくなる傾向にあるからであり、１×１０¹⁹ｃｍ^-3よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して基板１の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。

ｎ型クラッド層２には、活性層３よりもバンドギャップの大きいｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができ、その電子濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上で１×１０¹⁷ｃｍ^-3未満とすることが望ましい。電子濃度をこの範囲に特定することで、基板１との電子濃度の差、すなわち抵抗率の差を大きくとることができ、基板１とｎ型クラッド層２との界面において、基板１の電子が面内で十分に広がり、これにより活性層３への均一な電子の注入が実現できるため、活性層３における発光分布が均一となり、その結果、基板１の側の主発光面で均一な面発光が得られるからである。

ｎ型クラッド層２には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができるが、基板１にＧａＮを用いる場合には、ｎ型不純物をドープした、またはアンドープのＧａＮを用いることが望ましい。窒化ガリウム系化合物半導体は、アンドープの状態でもｎ型の導電型を示すからであり、中でもＧａＮはｎ型不純物をドープすることにより電子濃度を制御することが容易だからである。しかも、上記の電子濃度の範囲であれば、ｎ型不純物をドープすることによるｎ型クラッド層２の結晶性の低下を防ぐことができるので、その上に成長させる活性層３の結晶性を低下させることがなく、発光効率を高く保持できる点においても好ましい。

ｎ型クラッド層２の層厚は、０．０５μｍ以上で０．５μｍ以下の範囲とすることが望ましい。０．０５μｍよりも薄いと電流広がりの効果が小さくなる傾向にあり、０．５μｍよりも厚くなると発光素子のシリーズ抵抗が高くなって動作電圧が高くなるからである。そして、ｎ型クラッド層２の層厚に応じて電子濃度を調整することで、電流広がりの効果を奏しながらシリーズ抵抗の低減を図ることができる。本発明者らの知見によれば、ｎ型クラッド層２の層厚を厚くするとともに電子濃度を上記範囲内で高くすると良い。

活性層３には、Ｉｎを含み、ｎ型クラッド層２並びに第一及び第二ｐ型クラッド層４、５のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。特に、Ａｌを含まないＩｎＧａＮを用いると、青色から緑色の波長域での発光強度を高くすることができる。さらに、膜厚を１００ｎｍよりも薄くして単一量子井戸構造とすると、活性層３の結晶性を高めることができ、発光効率をより一層高めることができる。

また、活性層３は、膜厚を１００ｎｍよりも薄いＩｎＧａＮからなる量子井戸層と、この量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮ、ＧａＮ等からなる障壁層とを交互に積層させた多重量子井戸構造とすることもできる。

第一ｐ型クラッド層４には、活性層３よりもバンドギャップの大きい窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。特に、ＧａＮを用いると、活性層３との界面の結晶性を良好に保つことができるので、好ましい。

第一ｐ型クラッド層４にはｐ型不純物がドープされて、導電型をｐ型とされる。このｐ型不純物をドープするのに結晶成長時にｐ型不純物の原料ガスを流すことで実現することもできるが、第一ｐ型クラッド層４の上に成長させる第二ｐ型クラッド層５にドープさせたｐ型不純物を拡散させてドープすると、発光効率を高めることができる。

第一ｐ型クラッド層４の層厚は、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。

第二ｐ型クラッド層５には、活性層３よりもバンドギャップの大きい窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。特に、第一ｐ型クラッド層４よりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＮを用いると、活性層３への電子の閉じ込めを効率的に行うことができ、発光効率を高くすることができるので好ましい。さらに、第一ｐ型クラッド層４と接する側からｐ型コンタクト層６と接する側にかけて、Ａｌ組成が収斂するように組成を傾斜させて変化させた構造とすると、発光効率を高くすることができるとともに、動作電圧を低減することができるので好ましい。

第二ｐ型クラッド層５の層厚は、０．０３μｍ以上で０．３μｍ以下の範囲とすることが好ましい。

ｐ型コンタクト層６には、ＧａＮやＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮを用いることができるが、ｐ側電極７との接触抵抗を小さくできるＧａＮやＩｎＧａＮを用いることが好ましい。特に、組成傾斜させたＡｌＧａＮからなる第二ｐ型クラッド層５とＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層６とを組み合わせて用いると、発光効率の向上と動作電圧の低減を同時に効果的に行うことができる。

ｐ型コンタクト層６の層厚は、０．０２μｍ以上０．２μｍ以下の範囲とすることが好ましい。

第一ｐ型クラッド層４、第二ｐ型クラッド層５、およびｐ型コンタクト層６にドープされるｐ型不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ等を用いることができるが、比較的容易にｐ型とすることができるＭｇを用いることが好ましい。

ｐ側電極７には、ＡｕやＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ等の単体金属、あるいはそれらの合金や積層構造を用いることができる。特に、発光波長に対する反射率が高いＰｔ、Ｍｇ等の金属を用いると、活性層３からｐ側電極７の側へ向かう光を反射させて、基板１の側から取り出すことができるので、発光強度向上の面で好ましい。

ｎ側電極８は、基板１の上に形成されたｎ型クラッド層２、活性層３、第一ｐ型クラッド層４、第二ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６からなる積層構造の表面側からこれらの一部を除去させて露出させた基板１の表面に直接接して形成される。ｎ側電極８をこのように配置する構成とすることにより、基板１の前記積層構造を形成していない面側を主発光面とすることができ、上記したｎ型クラッド層２と基板１との界面における電流広がり効果により、この主発光面において均一な面発光が得られる。

ｎ側電極８には、ＡｌやＴｉ等の単体金属、またはＡｌやＴｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ等を含む合金、若しくはそれらの積層構造を用いることができる。

以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施例は、主として有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。

（実施例）
本実施例においては、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

まず、表面を鏡面に仕上げられたＧａＮからなる基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板１を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行った。

続いて、基板１の表面温度を１１００℃に５分間保ち、水素ガスと窒素ガスとアンモニアとを流しながら、基板１の表面の結晶性を向上させる。

次に、基板１の表面温度を１０５０℃にまで降下させた後、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスを流しながら、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を含むＴＭＧ用のキャリアガスと、Ｓｉ源であるＳｉＨ₄（モノシラン）ガスと、を流しながら成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型クラッド層２を０．２μｍの厚さで成長させた。このｎ型クラッド層２の電子濃度は３×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。

ｎ型クラッド層２を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ₄ガスとを止め、基板温度を７５０℃にまで降下させ、７５０℃において、主キャリアガスとして窒素ガスを流し、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＩ用のキャリアガスと、を流しながらアンドープのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる単一量子井戸構造の活性層３を３ｎｍの厚さで成長させた。

活性層３を成長後、ＴＭＩ用のキャリアガスを止め、ＴＭＧ用のキャリアガスを流しながら基板温度を１０５０℃に向けて昇温させながら、引き続きアンドープのＧａＮを４ｎｍの厚さで成長させ、基板温度が１０５０℃に達したら、新たに主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスと、ＴＭＡ用のキャリアガスと、Ｍｇ源であるＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスと、を流しながら成長させて、ＭｇをドープさせたＡｌＧａＮからなる第二ｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。このＡｌＧａＮの成長時には、ＴＭＡ用のキャリアガスを時間とともにリニアに減少させつつ、ＴＭＧ用のキャリアガスを時間とともにリニアに増加させて、組成がＡｌ_0.15Ｇａ_0.85ＮからＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎまで変化した傾斜組成ＡｌＧａＮとして第二ｐ型クラッド層５を成長させた。

この後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＡ用のキャリアガスとを止め、基板温度を１０５０℃に保持し、ＭｇをドープさせたＡｌＧａＮからアンドープで形成したＧａＮにＭｇを拡散させ、第一ｐ型クラッド層４を形成させた。

第一ｐ型クラッド層４および第二ｐ型クラッド層５を形成後、基板温度を８００℃にまで降下させ、８００℃において、新たにＴＭＧ用のキャリアガスと、ＴＭＩ用のキャリアガスと、Ｃｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスと、を流しながら成長させて、ＭｇをドープさせたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させた。

ｐ型コンタクト層６を成長後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＩ用のキャリアガスとＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスとを止め、主キャリアガスとアンモニアをそのまま流しながら室温程度にまで冷却させて、ウェハーを反応管から取り出した。

次に、ｐ型コンタクト層６の表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を堆積させた後、フォトリソグラフィにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成させた。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層６と第二ｐ型クラッド層５と第一ｐ型クラッド層４と活性層３とｎ型クラッド層２と基板１の一部を約０．５μｍの深さで積層方向と逆の方向に向かって除去させて、基板１の表面を露出させた。そして、フォトリソグラフィと蒸着法により露出させた基板１の表面上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成させた。さらに、同様にしてｐ型コンタクト層６の表面上にＰｔとＡｕとからなるｐ側電極７を蒸着形成させた。

この後、基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度の厚さに調整し、スクライブによりチップ状に分離した。このようにして、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られた。

この発光素子を、電極形成面側を下向きにして、正負一対の電極を有するＳｉダイオードの上にＡｕバンプにより接着させた。このとき、発光素子のｐ側電極７およびｎ側電極８が、それぞれＳｉダイオードの負電極および正電極と接続されるようにして発光素子を搭載する。この後、発光素子を搭載させたＳｉダイオードを、Ａｇペーストによりステム上に載置し、Ｓｉダイオードの正電極をステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長４７０ｎｍの青色で発光し、基板１の側から均一な面発光が得られた。このときの発光出力は１．１ｍＷであり、順方向動作電圧は３．４Ｖであった。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができるので、発光素子直上で均一な配光分布が望まれる発光ダイオードなどに好適である。

本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図

符号の説明

１基板
２ｎ型クラッド層
３活性層
４第一ｐ型クラッド層
５第二ｐ型クラッド層
６ｐ型コンタクト層
７ｐ側電極
８ｎ側電極

Claims

ｎ型のＧａＮからなる基板の上に、少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層との積層構造が設けられ、前記基板に接続される電極を有する半導体発光素子であって、前記電極は、前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記基板の表面に直接接して設けられ、基板の側を主発光面側とすることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。