JP2007081181A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の特性を向上させるとともに特性の安定化を図る。
【解決手段】ＧａＮ基板１の上にＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、ＳｉドープのＧａ_1-xＩｎ_xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層３、ＳｉドープのＧａＮよりなる第２のｎ型層４、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７から第２のｎ型層４までの多層構造の一部が除去されて露出された第２のｎ型層４の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光デバイス、電子デバイスに利用される窒化ガリウム系半導体発光素子に関する。

近年、一般式がＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体は、可視から紫外に亘る波長帯で動作する発光デバイスや高出力及び高温で動作する電子デバイス用の半導体材料として多用されている（以下、Ｇａ_1-yＩｎ_yＮやＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ等、３元混晶や４元混晶について適宜ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等と表記する）。

その中で、サファイア基板の上に形成されるIII族窒化物半導体よりなる半導体素子について、基板との格子不整合による結晶欠陥の伝搬を抑制するためにＧａＩｎＮよりなる中間層を基板と活性層との間に形成する技術が知られている。

図５に従来の半導体発光素子を示す。図５において、サファイア基板１００の上に、ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＧａＩｎＮよりなる中間層１０３、ｎ型ＧａＮ層１０４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、ＧａＩｎＮ活性層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が順次積層されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の表面上にはｐ側電極１０９が形成されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の表面側から、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ＧａＩｎＮ活性層１０６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、ｎ型ＧａＮ層１０４、ＧａＩｎＮ中間層１０３、およびｎ型ＧａＮ層１０２の一部をエッチングにより除去して露出したｎ型ＧａＮ層１０２の表面上に、ｎ側電極１１０が形成されている（例えば、特許文献１）。

一方、III族窒化物半導体よりなる発光素子に用いられる基板として、サファイア基板のような絶縁性の基板に代わってＧａＮ基板のような導電性の基板が用いられるようになってきている。導電性の基板を用いた場合、基板に電流を流すことができるので電流通路の抵抗値を下げて消費電力や動作電圧を低減させることができるためと、静電耐圧を高めることができるためである。

このＧａＮ基板を用いた従来の半導体発光素子の例を図６に示す。図６において、ＧａＮ基板１１１の上に、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＧａＩｎＮ活性層１０６、ｐ型ＧａＮ層１１２が順次積層されている。ｐ型ＧａＮ層１１２の表面上にはｐ側電極１０９が形成されており、ｐ型ＧａＮ層１１２の表面側から、ＧａＩｎＮ活性層１０６、およびｎ型ＧａＮ層１０２の一部をエッチングにより除去して露出したｎ型ＧａＮ層１０２の表面上に、ｎ側電極１１０が形成されている（例えば、特許文献２）。
特開平８−７０１３９号公報 特開２００１−６０７１９号公報

しかしながら、上記従来の半導体発光素子については、ＧａＩｎＮよりなる中間層１０３とサファイア基板１００との格子不整合率が約１３％と大きく、下地の結晶欠陥が活性層まで伝搬するのを防止するためにＧａＩｎＮよりなる中間層が必要であった。

一方、図６に示す半導体発光素子については、ＧａＮ基板１１１とその上に形成されるIII族窒化物半導体層との間の格子不整合率は、図５に示す半導体発光素子についてのサファイア基板１０１とその上に形成されるIII族窒化物半導体層との間の格子不整合率よりも小さい。そのため、ＧａＮ基板１１１とその上に形成されるIII族窒化物半導体層との間の格子不整合に起因する欠陥が減少する。したがって、基板との格子不整合による結晶欠陥の伝搬を抑制する必要はなく、低温成長のＧａＩｎＮよりなる中間層は成長途中に自然発生する結晶欠陥の発生源ともなるため、ＧａＮ基板１１１に対し格子整合しないＧａＩｎＮよりなる中間層を用いる必然性は存在しなかった。

しかしながら、ＧａＮ基板特有のオフ角分布のばらつきや表面加工ばらつきに起因するデバイスの特性ばらつきが大きく、半導体発光素子の歩留まり率が低いという問題があった。

上記課題に鑑み、本発明は、半導体発光素子の特性均一性を向上させるためのものである。

上記課題を解決するために本発明の半導体発光素子は、III族窒化物半導体よりなる基板と、基板上に形成されたIII族窒化物半導体の複数層からなる第１導電型の構造と、第１導電型の構造の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる活性層と、活性層の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる第２導電型のクラッド層とを有し、第１導電型の構造はＧａ_1-xＩｎ_xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層を有するものである。

本発明の半導体発光素子は、さらに中間層の層厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。半導体層の層厚として１０ｎｍ以下であると平坦化の効果が十分得られず特性均一化の効果が少なくなり、５００ｎｍ以上とすると中間層で発生する欠陥により特性が低くなる。好ましい膜厚であれば、その上に形成される活性層やクラッド層が安定して形成できる。

本発明の半導体発光素子は、さらに上面と下面とを有する段差を備え、上面は第２導電型のクラッド層上に設けられ、下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、半導体層は下面より活性側に設けられたことが好ましい。

本発明の半導体発光素子は、さらに上面と下面とを有する段差を備え、上面は第２導電型のクラッド層上に設けられ、下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、半導体層は下面より基板側に設けられたことが好ましい。

本発明の半導体発光素子は、半導体層が下面より基板側に設けられる場合において、当該半導体層が基板のすぐ上に設けられたことが好ましい。

本発明の半導体発光素子は、さらに六方晶基板の主面として（０００１）面であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子によれば、基板の面内における半導体発光素子の発光強度ばらつきが小さくなる。それにより半導体発光素子の歩留まりが向上する。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。

本発明に係る半導体発光素子は、図１の断面図に示すように、ＧａＮ基板１の上にＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、ＳｉドープのＧａ_1-xＩｎ_xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層３、ＳｉドープのＧａＮよりなる第２のｎ型層４、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７から第２のｎ型層４までの多層構造の一部が除去されて露出された第２のｎ型層４の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。この半導体発光素子に係る各半導体層の組成等の具体的な構成について、以下の表１に示す。

なお、ｐ側電極８は厚さ１μｍのＡｕベースの反射電極よりなり、ｎ側電極９は厚さ１μｍのＡｕベースのコンタクト電極よりなる。ｎ側電極９直下における第２のｎ型層４の層厚は５００ｎｍである。また、ＧａＮ基板１として、直径２インチ、厚さ３００μｍの、主面の面方位が（０００１）であるものが用いられ、特に（０００１）面から０．２〜５°のオフ角を有する基板が好ましく用いられる。オフ角を持たせることにより、ｐ型層におけるｐ型不純物の活性化が高まり、動作電圧を低減することができる。オフ角は０．２°以上で動作電圧を低減する効果を生じるようになり、２°以上ではその効果がほぼ飽和する。また、オフ角が大きくなるとチップに分離する際の歩留まりが低下する傾向にあるので、オフ角は５°以下であることが好ましい。オフ角を形成する方向はどの方向でも良い。半導体発光素子は当該直径２インチの基板を分割して得られる。半導体発光素子１個の基板面内サイズは、３００μｍ×３００μｍである。また、半導体発光素子の主発光波長は、４６０ｎｍである。なお、この半導体発光素子は、いわゆる発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、以下ＬＥＤという）である。

次に、中間層３としてＧａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎを用いた本発明の半導体発光素子、および中間層３を用いない従来の半導体発光素子について、半導体発光素子に対するフォトルミネッセンスの輝度に関するばらつきの度合いとの関係を図２（ａ）、図２（ｂ）に示す。図２（ａ）は厚さ５０ｎｍの中間層３を用いた場合、図２（ｂ）は中間層３を用いない場合の結果を示す。

ここで、輝度に関するばらつきについては、輝度分布標準偏差で評価した。輝度分布標準偏差とは、ある所定の輝度値に対する半導体発光素子それぞれの輝度のばらつきの分布を正規分布と仮定した場合の標準偏差のことをいう。より具体的に述べると、例えば輝度分布標準偏差の値が２５％とは、輝度の平均値に対し２５％以内の出力ばらつきのものが１σの分布（全体の６８．３％）内にあるということである。なお、フォトルミネッセンスの励起光源として、波長が３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いた。

この図２（ａ）、図２（ｂ）の結果より、中間層３が存在することにより半導体発光素子に対するフォトルミネッセンスの輝度ばらつきが小さくなることがわかった。図２（ｂ）においては、輝度分布標準偏差は３３．１％と非常に大きい値である。図２（ａ）においては、本発明の中間層の効果によってウエハ全面で均一な発光特性を示しており、輝度分布標準偏差は１／６以下の５．１％に向上している。

この中間層３を用いることでＧａＮ基板特有の結晶成長後に見られる六角錐形状の凹凸が減少しているため、中間層成長後の平坦性が向上し、その上に形成される半導体層が安定して形成されていることが考えられる。

今回の検討により、中間層３の層厚を大きくすることでフォトルミネッセンスの輝度ばらつきが抑えられることがわかった。この輝度ばらつきの抑制という結果より、中間層３の層厚を大きくすることによって半導体発光素子の特性のさらなる安定化が期待される。

なお、中間層３のＳｉドーピング濃度として５×１０¹⁷ｃｍ^−３以上で１×１０¹⁹ｃｍ^−３以下の範囲にあることが好ましい。理由は、５×１０¹⁷ｃｍ^−３以下であると高抵抗層となり駆動電圧上昇を招き、１×１０¹⁹ｃｍ^−３以上であると結晶性が悪化して特性低下が発生してしまうからである。

以下、本発明の半導体発光素子に係る変形例について説明する。なお、以下の変形例はいずれもＧａＮ基板１として直径２インチ、厚さ３００μｍのものを用いたものであり、半導体発光素子は当該直径２インチの基板を分割して得られたものである。また、半導体発光素子１個の基板面内サイズは、３００μｍ×３００μｍである。さらに、ｐ側電極は厚さ１μｍのＡｕベースの反射電極よりなり、ｎ側電極は厚さ１μｍのＡｕベースのコンタクト電極よりなるものを用いた。また、半導体発光素子の主発光波長は、いずれも４６０ｎｍである。なお、これらの変形例に係る半導体発光素子は、いずれもＬＥＤである。

（第１の変形例）
本発明の半導体発光素子に係る第１変形例は、図３の断面図に示すように、ＧａＮ基板１の上にＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、ＳｉドープのＧａ_1-xＩｎ_xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層３、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７からｎ型層２までの多層構造の一部が除去されて露出されたｎ型層２の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。この半導体発光素子に係る各半導体層の組成等の具体的な構成について、以下の表２に示す。なお、ｎ側電極９直下のｎ型層２の層厚は５００ｎｍである。また、ＧａＮ基板１の主面の面方位は（０００１）である。

この第１の変形例に係る半導体発光素子については、図１に示す本発明の半導体発光素子と同様、Ｉｎを含む中間層すなわちＧａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層３を用いることにより、従来の半導体発光素子と比較して、半導体発光素子に対するフォトルミネッセンスの輝度ばらつきが小さくなる。中間層の平坦化効果によってデバイス特性のウエハ面内均一性向上が期待できる。

（第２の変形例）
本発明の第２の変形例に係る半導体発光素子は、図４の断面図に示すように、ＧａＮ基板１の上にＳｉドープのＧａ_1-xＩｎ_xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層３、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型層２、アンドープのＡｌＧａＮよりなるクラッド層５、多重量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ型層７が順次形成され、ｐ型層７の上にはｐ側電極８が形成され、ｐ型層７からｎ型層２までの多層構造の一部が除去されて露出されたｎ型層２の表面にｎ側電極９が形成された構成となっている。この半導体発光素子に係る各半導体層の組成等の具体的な構成について、以下の表３に示す。なお、ｎ側電極９直下のｎ型層２の層厚は５００ｎｍである。また、ＧａＮ基板１の主面の面方位は（０００１）である。

この第２の変形例に係る半導体発光素子については、図１に示す本発明の半導体発光素子と同様、Ｉｎを含む中間層すなわちＧａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層３を用いることにより、従来の半導体発光素子と比較して、半導体発光素子に対するフォトルミネッセンスの輝度ばらつきが小さくなる。中間層の平坦化効果によってデバイス特性のウエハ面内均一性向上が期待できる。

なお、ＧａＮ基板１については、市販されているＧａＮ基板を用いてもよく、例えばサファイア基板上にＧａＮ層を厚く形成したものに対しサファイア基板を除去して得られるＧａＮ層を基板として用いてもよい。ＧａＮ層を厚く形成する場合に用いる基板としては、サファイア基板以外にＳｉＣやＭｇＡｌＯ₂等のＧａＮ層を結晶成長しうる基板を用いてもよい。

また、ＧａＮ基板１については、ＧａＮに限らず、ＡｌＧａＮやＧａＩｎＮ等、他のIII族窒化物半導体を基板の材料として用いても上記実施の形態に示すのと同様な効果が得られる。

また、上記実施の形態においてはＬＥＤについて説明したが、ＬＥＤ以外にIII族窒化物半導体の半導体レーザ素子についても同様な効果が得られる。

本発明は、半導体発光素子を構成するクラッド構造結晶性を向上させることができるものであり、それにより半導体発光素子の光学的および電気的特性を向上させることができるとともにその安定化を図ることができ、半導体発光素子のさらなる高性能化、歩留まりの向上に寄与するものである。

本発明の半導体発光素子の構造断面図 本発明の半導体発光素子に関する中間層３の層厚と半導体発光素子に対するフォトルミネッセンスの輝度に関するばらつきの度合いとの関係を示す図であり、（ａ）は中間層としてＧａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎを用いた場合の図、（ｂ）は中間層を用いない場合の図 本発明の第１の変形例に係る半導体発光素子の構造断面図 本発明の第２の変形例に係る半導体発光素子の構造断面図 従来の半導体発光素子の構造断面図 従来の半導体発光素子の構造断面図

符号の説明

１ ＧａＮ基板
２ ｎ型層
３ 中間層
４ 第２のｎ型層
５ クラッド層
６ 活性層
７ ｐ型層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極

Claims (7)

1. III族窒化物半導体よりなる基板と、前記基板上に形成されたIII族窒化物半導体の複数層からなる第１導電型の構造と、前記第１導電型の構造の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる活性層と、前記活性層の上に形成されたIII族窒化物半導体よりなる第２導電型の構造とを有し、前記第１導電型の構造はＧａ_1-xＩｎ_xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる中間層を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記中間層の層厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 上面と下面とを有する段差を備え、前記上面は前記第２導電型のクラッド層上に設けられ、前記下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、前記半導体層は前記下面より前記活性側に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 上面と下面とを有する段差を備え、前記上面は前記第２導電型のクラッド層上に設けられ、前記下面は前記第１導電型の構造上に設けられ、前記半導体層は前記下面より前記基板側に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
5. 前記半導体層は前記基板のすぐ上に設けられたことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
6. 前記基板は六方晶よりなり、前記基板の主面は（０００１）面であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
7. 前記基板の主面は（０００１）面から０．２〜５°のオフ角を有することを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。

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