JP2006100420A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フリップチップ型のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の光取出し効率向上。
【解決手段】半導体発光素子１００は、サファイア基板上にバッファ層１０２、ノンドープＧａＮ層１０３、高キャリヤ濃度ｎ⁺層１０４、ｎ型層１０５、発光層１０６、ｐ型層１０７、ノンドープのGaNとAlGaNとを積層したＤＢＲ層１０８、ｐ型コンタクト層１０９を順に積層して形成された。ＤＢＲ層１０８と正電極１２０とにより上方へ向かう光の反射率が80%に達し、ＤＢＲ層１０８がノンドープ層であることから、静電耐圧が向上した。
【選択図】図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。本発明はいわゆるフリップチップ型であって、光取り出し効率の高いIII族窒化物系化合物半導体発光素子構造を提供するものである。

いわゆるフリップチップ型であって、光取り出し効率の高いIII族窒化物系化合物半導体発光素子構造としては、ｐ電極として金(Au)、ロジウム(Rh)等の光反射率の高い金属を用いることが提案されている。
特開２０００−３６６１９号公報 特開平８−３２１１６号公報

しかし、光反射率の高い金属を電極として用いた場合（例えば特許文献１）であっても、通常、紫色乃至緑色（波長380〜530nm）の当該金属電極の光反射率は60〜70%程度に留まり、80%を大きく越えるものは得られていない。

本発明者は、特許文献２にも記載されたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いることで光取り出し効率を向上させる際、当該ＤＢＲの最適位置を検討し、当該ＤＢＲをノンドープとすることを着想することにより、本発明を完成させるに至った。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、III族窒化物系化合物半導体を積層させて形成したフリップチップタイプの半導体素子において、２つのｐ型層の間に、ノンドープの複数種類のIII族窒化物系化合物半導体を繰り返し積層した、発光層の発する光を反射するための多重層を形成したことを特徴とする。

また、請求項２に記載の手段によれば、前記多重層は、GaNとAl_xGa_1-xN(0＜x＜1)との多重層であることを特徴とする。また、請求項３に記載の手段によれば、前記２つのｐ型層の一方は、ｐ電極と接する層であることを特徴とする。

本発明者は、III族窒化物系化合物半導体を繰り返し積層してＤＢＲを形成する際、単に発光層に対して基板（光取り出し側）と逆側に設けるのみでなく、当該ＤＢＲを２つのｐ型層の間に設けることが、駆動電圧を高くしない観点から重要であることを見出した。当該２つのｐ型層の一方が、電極を形成する層である場合に特に効果が著しい。また、当該ＤＢＲをノンドープにより形成することで、当該ＤＢＲに、静電耐圧効果を持たせることができることを見出した。このように、本願発明は著しい効果を有するものである。

本発明の好ましい実施の形態について説明する。まず、本願で用いる「ノンドープ」の語は、意図的に当該層を形成する際にドーパント不純物を導入しないの意に留まり、何らかの技術的理由で「ドーパント」が混入するものを排除するものではない。当該技術的理由としては近接する層からのマイグレーションや、異なる層を形成する境界時における導入原料の切り替えが完全でないことによるコンタミネーション、或いは製造装置の洗浄不良等により「常に」微量に生成するコンタミネーションがあげられる。これら意図的でなく「ドーパント」が混入した層は、実質的には本願で言う「ノンドープ層」に包含されるものとする。

本発明の主たる特徴である、ＤＢＲを形成する多重層は、次のように形成される。まず、屈折率の異なる２つの層を選択する。例えばGaNとAl_xGa_1-xN(0＜x＜1)とし、当該Al_xGa_1-xNのアルミニウム組成xを決定し、各々の屈折率を得る。次に発光層から発せられる光の、当該ＤＢＲを形成する２つの層中での波長の１／４の厚さにそれら２つの層の厚さを決定する。

ＤＢＲの構成の例を組成及び屈折率と共に示せば次の通りである。屈折率2.47のGaNと、屈折率2.35のAl_0.25Ga_0.75Nを用いる場合は、光の空気中（又は屈折率１の媒体中）の波長に応じて、次のような厚さでＤＢＲを形成する。波長380nmの紫色（近紫外光）を発するＬＥＤについては、GaNの膜厚を385Å、Al_0.25Ga_0.75Nの膜厚を404Åとする。波長460nmの青色を発するＬＥＤについては、GaNの膜厚を466Å、Al_0.25Ga_0.75Nの膜厚を489Åとする。波長500nmの青緑色を発するＬＥＤについては、GaNの膜厚を506Å、Al_0.25Ga_0.75Nの膜厚を532Åとする。波長530nmの緑色を発するＬＥＤについては、GaNの膜厚を536Å、Al_0.25Ga_0.75Nの膜厚を564Åとする。

本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、少なくともAl_xGa_yIn_1-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元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。

発光層は単層、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）その他任意の構成をとることができる。発光層を多重量子井戸構造とする場合は、少なくともインジウム(In)を含むIII族窒化物系化合物半導体Al_yGa_1-y-zIn_zN(0≦y＜1, 0＜z≦1)から成る井戸層を含むものが良い。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのGa_1-zIn_zN(0＜z≦1)から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体AlGaInNから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのGa_1-zIn_zN(0＜z≦1)の井戸層とアンドープのGaNから成る障壁層である。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

図１に、本発明の実施例に係る半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子１００では、図１に示す様に、厚さ約300μmのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約15nmのバッファ層１０２が成膜され、その上にノンドープのGaNから成る膜厚約500nmの層１０３が成膜され、その上にシリコン(Si)を1×10¹⁸/cm³ドープしたGaNから成る膜厚約5μmのｎ型コンタクト層１０４（高キャリヤ濃度ｎ⁺層）が形成されている。

また、このｎ型コンタクト層１０４の上には、シリコン(Si)を1×10¹⁷/cm³ドープした膜厚25nmのｎ型Al_0.15Ga_0.85Nから成るｎ型層１０５が形成されている。更にその上には、膜厚3nmのノンドープIn_0.2Ga_0.8Nから成る井戸層１０６１と膜厚20nmのノンドープGaNから成る障壁層１０６２とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。

更に、この発光層１０６の上には、Mgを2×10¹⁹/cm³ドープした膜厚25nmのｐ型Al_0.15Ga_0.85Nから成るｐ型層１０７が形成されている。ｐ型層１０７の上には、膜厚47nmのノンドープGaNから成る層１０８１と膜厚49nmのノンドープAl_0.25Ga_0.75Nから成る層１０８２とを５ペア積層した多重層（ＤＢＲ層）１０８が形成されている。多重層（ＤＢＲ層）１０８の上には、Mgを8×10¹⁹ドープした膜厚100nmのｐ型GaNから成るｐ型コンタクト層１０９を形成した。

又、ｐ型コンタクト層１０８の上には金属蒸着による薄膜金属層１１１が形成されている。薄膜金属層１１１は、ｐ型コンタクト層１０８に接合する膜厚約10Åのコバルト(Co)またはニッケル(Ni)より成る金属層で構成されている。正電極１２０は、膜厚約3000Åのロジウム(Rh)により形成した。尚、正電極１２０は銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金より成る金属層により構成しても良い。

多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。また、最上部には、SiO₂膜より成る保護膜１３０が形成されている。

〔比較例１〕
上記実施例１で、多重層（ＤＢＲ層）１０８を形成せず、図２のような半導体発光素子９００を用意し、これらの素子特性の比較を行った。

実施例１に係る図１の半導体発光素子１００の全放射束は、図２の半導体発光素子９００の全放射束の1.4倍となった。これは、多重層（ＤＢＲ層）１０８とロジウム(Rh)から成る正電極１２０とにより、反射率が82%となったものと計算された。
また、実施例１に係る図１の半導体発光素子１００の静電耐圧は、順方向電圧で6000Vと測定され、図２の半導体発光素子９００の静電耐圧は、順方向電圧で3000Vと測定された。即ち、多重層（ＤＢＲ層）１０８により、静電耐圧は200%に向上（100%増）した。

〔比較例２〕
図１の半導体発光素子１００の多重層（ＤＢＲ層）１０８の位置は、ｐ型半導体層１０７とｐ型コンタクト層１０９との間であった。これに替えて、発光層１０６／多重層（ＤＢＲ層）１０８／ｐ型半導体層１０７／ｐ型コンタクト層１０９／電極部の順に積層した場合と、発光層１０６／ｐ型半導体層１０７／ｐ型コンタクト層１０９／多重層（ＤＢＲ層）１０８／電極部の順に積層した場合とで発光素子を形成した。これらの発光素子は、光取り出し効率及び静電耐圧は図１の半導体発光素子１００と同程度であったが、駆動電圧が上昇した。

本発明の実施例１に係る半導体発光素子１００の断面図。 比較例に係る半導体発光素子９００の断面図。

符号の説明

１００：半導体発光素子
１０１：サファイヤ基板
１０２：バッファ層
１０３：ノンドープＧａＮ層
１０４：高キャリア濃度ｎ⁺層
１０５：ｎ型半導体層
１０６：発光層
１０７：ｐ型半導体層
１０８：多重層（ＤＢＲ層）
１０９：ｐ型コンタクト層
１１１：薄膜金属層
１２０：正電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極

Claims (3)

1. III族窒化物系化合物半導体を積層させて形成したフリップチップタイプの半導体素子において、
   ２つのｐ型層の間に、ノンドープの複数種類のIII族窒化物系化合物半導体を繰り返し積層した、発光層の発する光を反射するための多重層を形成したことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記多重層は、GaNとAl_xGa_1-xN(0＜x＜1)との多重層であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 前記２つのｐ型層の一方は、ｐ電極と接する層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。