JP2007081183A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子ウエハの反りを防止し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ドープの少なくともＩｎを含む層で膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下からなる中間層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

上記従来のサファイア基板上に形成する半導体発光素子については、結晶成長を行う際にＭＯＣＶＤ装置のガスの流れによって結晶成長面は低温化するため、サファイア基板から結晶成長面に向かってサファイア基板が凹形状に変形する。しかしながら、サファイア基板上でさらに大きな格子定数をもつＧａＮよりなる結晶成長を行うため、サファイア基板から結晶成長面に向かって凸形状に変形する力が働き、サファイア基板は平坦に近い形状に戻されるため、結晶成長中に発生する基板の反りに関する問題は発生しなかった。

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より小さいため、サファイア基板１０１上に形成されるIII族窒化物半導体層との格子不整合から期待できる結晶成長中の基板の反り抑制効果が発生しない。そのため、ＧａＮ基板１１１とその上に形成されるIII族窒化物半導体層ではガス流に起因する結晶成長面の低温化によってＧａＮ基板１１１の反りが大きくなり、ウエハ面内の温度分布の均一性を著しく低下させる。

上記理由から、ＧａＮ基板特有の基板反り問題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、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは５０ｎｍ以下であることが好ましい。半導体層の層厚として１０ｎｍ以下であると反りの抑制効果が十分得られず特性均一化の効果が少なくなり、１００ｎｍ以上とすると中間層で発生する応力により基板反りが逆方向に大きくなりウエハ内の特性不均一性が大きくなるのに加えて、基板反りが成長後においても大きくなり電極プロセスのマスクアライメント工程や、研削、研磨工程およびスクライブ後工程においてプロセス精度を低下させるため歩留まり低下を引き起こす。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、後工程での基板の反りによる歩留まり低下を防止できる。

本発明の半導体発光素子によれば、結晶成長中のＧａＮ基板の反りが低減され、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Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜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、結晶成長中のＧａＮ基板の反りに起因する輝度低下が特にウエハ外周で発生したため、ウエハ全面における均一性を悪化させており、輝度分布標準偏差は１３．９％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外周まで均一な発光特性を示しており、輝度分布標準偏差は１／５程度の２．９％に向上している。この中間層３を用いることで、ＧａＮ基板特有の基板反りに起因する熱均一性が向上したため、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と考えられる。

今回の検討により、中間層３を導入することによって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。

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Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ＜1、０＜ｙ＜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０．３°オフした基板である。

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を含む中間層すなわちＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ＜1、０＜ｙ＜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。中間層の基板反り抑制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Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ＜1、０＜ｙ＜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０．３°オフした基板である。

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を含む中間層すなわちＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜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。中間層の基板反り抑制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。

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中間層３の特性均一性を示す図であり、（ａ）は中間層として膜厚５０ｎｍの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 (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０．２〜５°のオフ角を有し、前記中間層の厚みが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下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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