JP2007280988A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度化を図ることが可能な半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】ＩｎＧａＮを含む活性層３と、活性層３を挟んで積層されたｎ−ＧａＮ層２およびｐ−ＧａＮ層４と、を備える半導体発光素子Ａであって、ｐ−ＧａＮ層４は、活性層３に直接接しているとともに、ＧａＮにｐ型不純物がドープされており、かつその少なくとも一部にドープ濃度１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³でＩｎがさらにドープされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩｎＧａＮを含む活性層を備えることにより、たとえば青色光を発光可能とされた半導体発光素子に関する。

図５は、従来の半導体発光素子の一例を示している（たとえば特許文献１参照）。同図に示された半導体発光素子Ｘは、ＩｎＧａＮを含む活性層９４と、これを挟んで配置されたｎ−ＧａＮ層９２およびｐ−ＧａＮ層９６とを備えている。活性層９４は、ＩｎＧａＮを含む井戸層とバンド層とが交互に積層された重量子井戸（Multiple Quantum Well:以下ＭＱＷ）構造とされている。ｎ−ＧａＮ層９２には、ｎ側電極９２ａが形成されており、ｐ−ＧａＮ層９６には、ｐ側電極９６ａが形成されている。

ｎ−ＧａＮ層９２と活性層９４との間には、第１および第２のｎ型クラッド層９３ａ，９３ｂが設けられている。ｐ−ＧａＮ層９６と活性層９４との間には、第１および第２のｐ型クラッド層９５ａ，９５ｂが設けられている。第１のｎ型クラッド層９３ａおよび第１のｐ型クラッド層９５ａは、ｎ型不純物またはｐ型不純物がドープされたＩｎＧａＮからなる。第２のｎ型クラッド層９３ｂおよび第２のｐ型クラッド層９５ｂは、ｎ型不純物またはｐ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなる。半導体発光素子Ｘにおいては、第１および第２のｎ型クラッド層９３ａ，９３ｂと第１および第２のｐ型クラッド層９５ａ，９５ｂとによって、キャリアである電子および正孔を活性層９４に閉じ込める効果が発揮される。これにより、半導体発光素子Ｘの発光効率の向上が図られている。

しかしながら、ＡｌＧａＮからなる第２のｐ型クラッド層９５ｂ、およびＧａＮからなるｐ−ＧａＮ層９６をたとえばＭＯＣＶＤ法によって形成する際には、成膜温度を１，０５０℃程度とする必要がある。第２のｐ型クラッド層９５ｂおよびｐ−ＧａＮ層９６を形成するときには、すでに活性層９４が形成されている。この活性層９４が１，０５０℃程度の高温に曝されると、活性層９４に含まれるＩｎが昇華するおそれがある。活性層９４からＩｎが昇華してしまうと、青色光など所望の波長帯域の光を効率よく発光することが阻害されてしまう。

また、第１のｎ型クラッド層９３ａおよび第１のｐ型クラッド層９５ａは、Ｉｎの濃度が数％〜２５％程度とされている。また、第２のｎ型クラッド層９３ｂおよび第２のｐ型クラッド層９５ｂは、Ａｌの濃度が数十％程度とされている。ＧａＮに対するＡｌやＩｎの濃度が高いほど、黒色または緑色を帯びるものとなり、これらの物質の透明度が低下してしまう。このようなことでは、活性層９４からの光が吸収されることとなり、半導体発光素子Ｘの輝度が低下するという問題があった。

特開平８−２２８０２５号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高輝度化を図ることが可能な半導体発光素子を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体発光素子は、ＩｎＧａＮを含む活性層と、上記活性層を挟んで積層されたｎ型半導体層およびｐ型半導体層と、を備える半導体発光素子であって、上記ｐ型半導体層は、上記活性層に直接接しているとともに、ＧａＮにｐ型不純物がドープされており、かつその少なくとも一部にドープ濃度１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³でＩｎがさらにドープされていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記ｐ型半導体層のうち少なくともＩｎがドープされた部分を形成するときには、その成膜温度を８００〜９００℃程度とすることが可能である。このため、上記活性層が形成された後に成膜温度をたとえば１，０００℃以上の高温に保つ時間を短縮することが可能である。したがって、上記活性層からＩｎが昇華してしまうことを抑制することができる。また、Ｉｎのドープ濃度が１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であれば、上記ｐ型半導体層の透明度が不当に低下することを回避することが可能である。以上より、上述した構成によれば、上記半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記ｐ型半導体層は、上記活性層と接する部分にＩｎがドープされている。このような構成によれば、上記活性層を形成した直後に成膜温度を昇温させる必要が無く、上記活性層を形成する際と同様の成膜温度とすることが可能である。また、上記活性層と接する部分を形成した後に、成膜温度を上昇させることがあっても、そのときには、上記活性層は上記ｐ型半導体層の一部によって保護された状態とされている。したがって、上記活性層からＩｎが昇華してしまうことを防止するのに好適である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記ｐ型半導体層のうち上記活性層と接する部分とは反対側の面にｐ側電極が形成されており、上記ｐ型半導体層のうち上記ｐ側電極と接する部分にＩｎがドープされている。このような構成によれば、上記ｐ型半導体層と上記ｐ側電極との間に良好なオーミックコンタクトを形成することができる。したがって、上記ｐ側電極からの正孔注入効率を高めることが可能であり、上記半導体発光素子の高輝度化に有利である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａは、基板１、ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４を備えている。半導体発光素子Ａは、たとえば青色光を図中上方へと出射可能な構成とされている。

基板１は、たとえばサファイア製であり、ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４を支持するためのものである。本実施形態においては、基板１は、その厚さがたとえば３００〜５００μｍ程度とされている。

ｎ−ＧａＮ層２は、ＧａＮにＳｉがドープされたことによりいわゆるｎ型半導体層とされており、本発明で言うｎ型半導体層の一例である。本発明においては、ｎ型半導体層は、ｎ−ＧａＮ層２のように基板１上に直接形成されたもののほかに、たとえば格子歪を緩和するためのＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなるバッファ層を介して基板１に間接的に支持されたものを含む概念である。本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層２は、その厚さが数μｍ程度とされている。ｎ−ＧａＮ層２は、比較的厚さが厚い厚肉部分と、比較的厚さが薄い薄肉部分とを有している。この薄肉部分には、ｎ側電極２１が形成されている。

ｎ−ＧａＮ層２と活性層３との間には、超格子層、ｎ型クラッド層、およびｎ型ガイド層などを適宜設けてもよい。上記超格子層は、たとえばＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが一原子層毎に交互に積層された超格子（Superlattice）構造を有する層である。上記ｎ型クラッド層は、たとえばｎ型不純物がドープされたＡｌＧａＮからなり、活性層３からの光がｎ−ＧａＮ層２側へと漏れることを防止するためのものである。上記ｎ型ガイド層は、たとえばｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮからなり、キャリアである電子および正孔を活性層３に閉じ込めるためのものである。

活性層３は、ＩｎＧａＮを含むＭＱＷ構造とされた層であり、電子と正孔とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。活性層３は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが交互に積層されている。上記ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が１５％程度とされることにより、ｎ−ＧａＮ層２よりもバンドギャップが小とされており、活性層３の井戸層を構成している。上記ＧａＮ層は、活性層３のバリア層を形成している。本実施形態においては、活性層３は、上記複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが３〜７層ずつ積層されており、その厚さが５０〜１５０ｎｍ程度とされている。

ｐ−ＧａＮ層４は、ＧａＮにＭｇがドープされたことによりいわゆるｐ型半導体層とされており、本発明で言うｐ型半導体層の一例である。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４は、その厚さが１００〜１５００ｎｍ程度とされている。ｐ−ＧａＮ層４には、ｐ側電極４１が形成されている。ｐ側電極４１は、たとえばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）からなる透明電極とされている。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４は、その厚さが０．１〜０．３μｍ程度とされている。

ｐ−ＧａＮ層４の端部４ａ，４ｂには、Ｉｎがドープされている。端部４ａは、活性層３と接する部分であり、端部４ｂは、ｐ側電極４１と接する部分である。図２は、ｐ−ＧａＮ層４の厚さ方向におけるＩｎのドープ濃度分布の一例を示している。同図に示すように、端部４ａ，４ｂにおいては、ドープ濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度とされている。一方、ｐ−ＧａＮ層４のうち端部４ａ，４ｂに挟まれた中央部分は、Ｉｎがドープされていない。なお、ｐ−ＧａＮ層４におけるＩｎのドープ濃度は、１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすればよい。本実施形態においては、端部４ａ，４ｂの厚さは、それぞれ数十〜百数十Å程度とされている。

次に、半導体発光素子Ａの製造工程の一例を以下に説明する。

まず、基板１をＭＯＣＶＤ法用の成膜室内に導入し、成膜室内の温度である成膜温度を１，１００℃とする。次にＨ₂ガスとＮ₂ガスとを上記成膜室内に流すことにより、基板１を洗浄する。

次に、成膜温度を１，０６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびたとえばトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）ガスのようなＧａ源（以下、単にＧａ源という）を上記成膜室内に供給する。この際、ｎ型のドーパントであるＳｉのドープを行うためにＳｉＨ₄ガスを同時に供給する。これにより、基板１上にｎ−ＧａＮ層２を形成する。

次に、成膜温度を７００〜８００℃、たとえば約７６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、Ｇａ源、およびたとえばトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎ）ガスのようなＩｎ源（以下、単にＩｎ源という）を上記成膜室内に供給する。これにより、Ｉｎの組成比が１５％程度である井戸層としてのＩｎＧａＮ層を形成する。

上記井戸層を形成した後は、成膜温度を７６０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびＧａ源を供給する。これにより、バリア層としてのＧａＮ層を形成する。

この後、上述した井戸層としてのＩｎＧａＮ層およびバリア層としてのＧａＮ層の形成を交互に行う。それぞれの層を３〜７層程度形成することにより、ＭＱＷ構造を有する活性層３が得られる。

次に、成膜温度を１，０００℃以下、たとえば９００℃程度とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、Ｇａ源、およびＩｎ源を供給する。この際、ｐ型のドーパントであるＭｇのドープを行うために、Ｃｐ₂Ｍｇガスを同時に供給する。これにより、Ｉｎのドープ濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である端部４ａを形成する。

次に、成膜温度を１，０５０℃とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびＧａ源、およびＣｐ₂Ｍｇガスを供給する。これにより、ｐ−ＧａＮ層４の中央部分を形成する。

次に、再び成膜温度を１，０００℃以下、たとえば９００℃程度とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、Ｇａ源、Ｉｎ源、およびＣｐ₂Ｍｇガスを供給する。これにより、Ｉｎのドープ濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である端部４ｂを形成する。この後は、ｎ側電極２１およびｐ側電極４１を形成することにより、半導体発光素子Ａの製造が完了する。

次に、半導体発光素子Ａの作用について説明する。

本実施形態によれば、ｐ−ＧａＮ層４を形成する工程において、端部４ａ，４ｂを形成するときには、成膜温度を１，０００℃以下、たとえば９００℃程度とすればよい。ｐ−ＧａＮ層４のうちＩｎがドープされていない中央部分は、端部４ａ，４ｂの分だけその厚さが薄くなっている。このため、この中央部分を形成するために成膜温度を１，０５０℃とすべき時間を短縮することができる。また、成膜温度が１，０５０℃とされたときには、活性層３は、端部４ａによって覆われた状態とされている。したがって、活性層３が１，０００℃を超える高温に長時間曝されることによりＩｎが昇華してしまうことを抑制することが可能であり、活性層３からの発光効率を向上させることができる。

端部４ａ，４ｂに対してＩｎを１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の濃度でドープすることにより、たとえばＧａＮにＩｎが数十％程度含まれる場合と比べて、端部４ａ，４ｂの透明度を高めることが可能である。これにより、活性層３からの光がｐ−ＧａＮ層４によって吸収されることを抑制することができる。また、端部４ａ，４ｂに挟まれた中央部分は、Ｉｎをまったく含んでいない。このため、この中央部分は、透明度が非常に高いものとされている。これは、半導体発光素子Ａの高輝度化に適している。なお、成膜温度を９００℃程度の比較的低い温度としつつ、高輝度化に適した透明度とするには、端部４ａ，４ｂのＩｎのドープ濃度は、１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であることが好ましい。

端部４ｂにＩｎをドープすれば、端部４ｂとｐ側電極４１との間にオーミックコンタクトを確実に形成することが可能である。したがって、ｐ側電極４１からの正孔注入効率を高めることができる。

図３および図４は、本発明の第１実施形態の変形例を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図３は、図１に示す半導体発光素子Ａのｐ−ＧａＮ層４のＩｎドープ濃度分布の他の例を示している。同図に示されたｐ−ＧａＮ層４においては、端部４ａ，４ｂだけでなく、これらに挟まれた中央部分にもＩｎがドープされている。この中央部分におけるＩｎ濃度は、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下程度とされている。このような構成によれば、ｐ−ＧａＮ層４を形成する期間のすべてにおいて、成膜温度を８００〜９００℃程度とすることが可能である。このため、活性層３がたとえば１，０００℃以上の高温に曝されることがまったくない。これは、活性層３からのＩｎの昇華を回避するのに好適である。

図４は、図１に示す半導体発光素子Ａのｐ−ＧａＮ層４のＩｎドープ濃度分布のさらに他の例を示している。同図に示されたｐ−ＧａＮ層４においては、Ｉｎドープ濃度がその厚さ方向において一定とされている。このような構成によっても、活性層３からＩｎが昇華することを回避しつつ、ｐ−ＧａＮ層４をその透明度が良好なものとすることができる。この例から理解されるように、ｐ−ＧａＮ層４のＩｎドープ濃度が一定であってもそのドープ濃度を１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすれば、本発明の意図する効果を発揮させることができる。

図５および図６は、本発明に係る半導体発光素子の第２および第３実施形態におけるｐ−ＧａＮ層４のＩｎのドープ濃度分布を示している。図５に示すように、本発明の第２実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４のうち活性層３側に位置する端部４ａに１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度の濃度でＩｎがドープされている。一方、上述した第１実施形態における端部４ｂに相当する部分には、Ｉｎがドープされていない構成とされている。

このような実施形態によっても、活性層３を形成した後にＩｎがドープされた端部４ａが形成される。このため、ｐ−ＧａＮ層４を形成する際に、成膜温度を１，０００℃以上とすべき時間を短縮することが可能であり、活性層３が１，０００℃以上の高温に長時間曝されることを回避することができる。

図６に示すように、本発明の第３実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４のうちｐ側電極４１側に位置する端部４ｂに１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度の濃度でＩｎがドープされている。一方、上述した第１実施形態における端部４ａに相当する部分には、Ｉｎがドープされていない構成とされている。このような実施形態によっても、ｐ−ＧａＮ層４を形成する際に、成膜温度を１，０００℃以上の高温とすべき時間を短縮することが可能であり、活性層３からＩｎが昇華してしまうことを抑制することができる。

本発明に係る半導体発光素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

活性層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層との組み合わせに代えて、互いのＩｎ組成比が異なる２種類のＩｎＧａＮ層を交互に積層させた構成としても良い。また、本発明で言う活性層は、ＭＱＷ構造に限定されない。本発明に係る半導体発光素子は、青色および緑色光のほかに白色光など、様々な波長の光を発する構成とすることができる。

本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示す断面図である。 図１に示す半導体発光素子のｐ−ＧａＮ層におけるＩｎのドープ濃度分布の一例を示すグラフである。 図１に示す半導体発光素子のｐ−ＧａＮ層におけるＩｎのドープ濃度分布の他の例を示すグラフである。 図１に示す半導体発光素子のｐ−ＧａＮ層におけるＩｎのドープ濃度分布の他の例を示すグラフである。 本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態のｐ−ＧａＮ層におけるＩｎのドープ濃度分布の一例を示すグラフである。 本発明に係る半導体発光素子の第３実施形態のｐ−ＧａＮ層におけるＩｎのドープ濃度分布の一例を示すグラフである。 従来の半導体発光素子の一例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 半導体発光素子
１ 基板
２ ｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）
３ 活性層
４ ｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）
４ａ，４ｂ 端部
２１ ｎ側電極
４１ ｐ側電極

Claims (3)

1. ＩｎＧａＮを含む活性層と、
   上記活性層を挟んで積層されたｎ型半導体層およびｐ型半導体層と、を備える半導体発光素子であって、
   上記ｐ型半導体層は、上記活性層に直接接しているとともに、ＧａＮにｐ型不純物がドープされており、かつその少なくとも一部にドープ濃度１×１０¹⁶〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³でＩｎがさらにドープされていることを特徴とする、半導体発光素子。
2. 上記ｐ型半導体層は、上記活性層と接する部分にＩｎがドープされている、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 上記ｐ型半導体層のうち上記活性層と接する部分とは反対側の面にｐ側電極が形成されており、
   上記ｐ型半導体層のうち上記ｐ側電極と接する部分にＩｎがドープされている、請求項１または２に記載の半導体発光素子。

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