JP2007081182A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子ウエハの平坦性を向上し発光特性向上を図る。
【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−ｙ}Ｉｎ_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−ｙ}Ｉｎ_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。また、半導体発光素子の異なる面にそれぞれ電極を形成することができ、発光面積を大きく取り輝度、駆動電圧などの特性を向上させることもできる。

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

図６に示す半導体発光素子については、ＧａＮ基板の主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角を有する場合において、ステップフローで成長する形態と異なり、表面モフォロジー形態が六角錐が多数発生し平坦性が著しく悪化することで、その上に形成される半導体層に悪影響を及ぼしフォトルミネッセンス強度が極端に低くなるという問題があった。

上記課題に鑑み、本発明は、ＧａＮ基板の主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角を有する場合において半導体発光素子の発光特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導電型の構造は少なくともＩｎを含む中間層を有するものである。

本発明の半導体発光素子の中間層の層厚は、５０ｎｍ以上であることが好ましい。さらに好ましくは１００ｎｍ以上であることが好ましい。半導体層の層厚として５０ｎｍ以下であると中間層の結晶表面の平坦化効果が少なく十分な発光効率向上ができないためである。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によれば、中間層の平坦化効果により半導体発光素子の発光強度が大きくなる。それにより半導体発光素子の発光特性が向上する。

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る。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と中間層の層厚との関係を図２に示す。ここで、フォトルミネッセンスの輝度（ＰＬ積分強度）とエピタキシャル成長が完了したウエハをレーザーで励起することで発光する光を全波長で積分した強度である。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レーザーを用いた。

この図２の結果より、中間層３の層厚を５０ｎｍ以上とすることにより半導体発光素子のフォトルミネッセンスの輝度が非常に大きくなることが解った。

この中間層３を用いることで、主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角を有するＧａＮ基板に特有の六角錐状の表面モフォロジーが消失していることが観測され、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、主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角を有するＧａＮ基板の結晶成長において少なくともＩｎを含む層で層厚が５０ｎｍ以上の中間層３を導入することによって半導体発光素子のフォトルミネッセンスの輝度が非常に大きくなることが解った。

なお、中間層３のＳｉドーピング濃度として５×１０^１７ｃｍ^−３以上で１×１０^１９ｃｍ^−３以下の範囲にあることが好ましい。理由は、５×１０^１７ｃｍ^−３以下であると高抵抗層となり駆動電圧上昇を招き、１×１０^１９ｃｍ^−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）からオフ角０．３°以下の基板である。

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を含む中間層で例えばＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（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が大きくなる。主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角を有するＧａＮ基板の結晶成長において少なくともＩｎを含む層で層厚が５０ｎｍ以上の中間層３を導入することによって半導体発光素子のフォトルミネッセンスの輝度が非常に大きくなる。中間層の平坦化効果によってデバイスの発光特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ドープの少なくともＩｎを含む層で例えば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）からオフ角０．３°以下の基板である。

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を含む中間層で例えばＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（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が大きくなる。主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角を有するＧａＮ基板の結晶成長において少なくともＩｎを含む層で層厚が５０ｎｍ以上の中間層３を導入することによって半導体発光素子のフォトルミネッセンスの輝度が非常に大きくなる。中間層の平坦化効果によってデバイスの発光特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ＭｇＡｌＯ_２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ー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均一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ＰＬ積分強度向上を示す図 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 (2)

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導電型のクラッド層とを有し、前記第１導電型の構造は少なくともＩｎを含む中間層を有する半導体発光素子において、
   前記基板の主面が（０００１）面から０．３°以下のオフ角であり、前記中間層の厚みが５０ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記中間層がＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ（０＜ｘ＜１）よりなることを特徴とする半導体発光素子。

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