JP2008108779A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出方向へと取り出される光量を高めつつ偏光比の高い光を取り出し可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に積層された窒化物半導体積層構造３と、アノード電極４と、カソード電極６とを備えている。基板２及び窒化物半導体積層構造３の主面は、無極性面であるｍ面で構成されている。窒化物半導体積層構造３は、基板２側から順に、ｎ型コンタクト層１１と、反射層１２と、活性層１３と、ファイナルバリア層１４と、ｐ型電子阻止層１５と、ｐ型コンタクト層１６とが積層されている。反射層１２は、光取出方向Ａとは反対側に進行する光を光取出方向Ａへと反射するためのものであり、活性層１３の面のうち光取出方向Ａとは反対側の面に連続して形成されている。反射層１２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層とＧａＮ層とが周期的に１０ペア積層された超格子層である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子に関する。

従来、青色などの光を発光可能な活性層を有する様々な窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子が知られている。

これらの半導体発光素子は、一般に複数の窒化物半導体層が積層された窒化物半導体積層構造を有する。これら積層された窒化物半導体積層構造は、光を発光する活性層などとともに、活性層で発光された光を反射可能な複数の半導体層からなる反射層を備えたものもある（例えば、非特許文献１）。

このような反射層を含む窒化物半導体層積層構造の技術を発光ダイオードに適用した場合、活性層を挟み光取出面とは反対側に反射層を設けることによって、活性層から発光されて光取出方向とは反対方向へ進行する光をも光取出方向へと反射させて光取出面から取り出すことができる。これによって、光取出方向へと取り出される光量が多い発光ダイオードを得ることができた。
Ｙ．Ｋ．Ｓｏｎｇ ｅｔ ａｌ．，「Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ ＩｎＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｂｌｕｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．アメリカ．２０００年９月１８日．第７７巻．ｐ１７４４−１７４６．

しかしながら、上述した発光ダイオードでは、反射層を設けることにより光取出方向へと取り出される光量を向上させることができたが、活性層により発光される光が偏光していないため、取り出される光の偏光比が低いといった問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、光取出方向へと取り出される光量を高めつつ偏光比の高い光を取り出し可能な半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光を発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子において、前記窒化物半導体積層構造の主面が、略無極性面又は略半極性面であり、前記窒化物半導体積層構造は、前記活性層により発光された光を所望の光取出方向へと反射するための反射層を備え、前記反射層は、Ａｌの組成が異なる複数の半導体層が積層された超格子層からなることを特徴とする半導体発光素子である。

ここで、略無極性面とは、無極性面及び無極性面から±１°オフ角された面を含む概念である。また、略半極性面とは、半極性面及び半極性面から±１°オフ角された面を含む概念である。

また、請求項２の発明は、前記反射層は、格子整合した２種類のＡｌＩｎＧａＮが積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。

また、請求項３の発明は、基板を備え、前記反射層は、前記基板と前記活性層との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。

また、請求項４の発明は、前記反射層は、前記活性層と連続して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子である。

また、請求項５の発明は、前記反射層は、前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子である。

また、請求項６の発明は、前記反射層は、第１半導体層及び第２半導体層が周期的に積層され、前記活性層に発光された光の波長をλとし、前記第１半導体層の屈折率をｎ_１とし、前記第２半導体層の屈折率をｎ_２とした場合、前記反射層を構成する前記第１半導体層及び前記第２半導体層の１周期の厚みが、
（λ／４ｎ_１）＋（λ／４ｎ_２）
となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。

本発明によれば、主面が略無極性面又は略半極性面である窒化物半導体積層構造を備えることにより、活性層において偏光した光を発光させることができるので、取り出される光の偏光比を高めることができる。また、発光した光のうち、光取出方向とは反対方向に進行する一部の光は、基板の底面などにより散乱されると偏光比が低下するが、本発明による半導体発光素子は、活性層により発光された光を所望の光取出方向へと反射するための反射層を備えているので、光取出方向と逆方向に進行した光を反射層によって光取出方向へと反射することができるので、当該光が散乱されて偏光比が低下することを抑制できる。これにより、光取出方向へと取り出される光量を高めつつ、偏光比の高い光を光取出方向へと取り出すことができる。

また、反射層を、格子整合された２種類のＡｌＩｎＧａＮ層によって構成することにより、２種類のＡｌＩｎＧａＮ層のペア数を増加させても、各ＡｌＩｎＧａＮ層間に作用する応力を抑制することができるので、クラックの発生を抑制することができる。

また、反射層を基板と活性層との間に設けることによって、光が散乱されやすい基板の外側の面へ光が進行することを抑制できるので、光の散乱をより抑制することができ、偏光比をより向上させることができる。

また、反射層を活性層と連続して形成することにより、活性層から発光した光が他の層に散乱又は吸収されることをより抑制することができるので、取り出される光量及び偏光比を向上させることができる。

また、反射層を基板上に形成することにより、反射層を経由せずに電流を流すことができるので、抵抗値を下げることができる。これにより、消費電力を低減することができる。

また、反射層を構成する第１半導体層及び第２半導体層の１周期の厚みを{（λ／４ｎ_１）＋（λ／４ｎ_２）}とすることにより、各半導体層で反射された光が強めあうので、取り出される光量をより向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明を発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用した第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態による半導体発光素子の断面図である。

図１に示すように、半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に積層された窒化物半導体積層構造３と、アノード電極４と、カソード電極６とを備えている。

基板２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）の単結晶からなる。尚、ＧａＮの単結晶の製造方法は特に限定されるものではない。基板２の主面には、窒化物半導体積層構造３が積層される。この基板２の主面は、無極性面であるｍ面で構成されている。尚、ｍ面とは、ＧａＮの結晶構造を六角柱の六方晶と近似した場合、六角柱の側面に相当する面（例えば、（１０−１０）面）のことである。

窒化物半導体積層構造３は、基板２側から順に、ｎ型コンタクト層１１と、反射層１２と、活性層１３と、ファイナルバリア層１４と、ｐ型電子阻止層１５と、ｐ型コンタクト層１６とが積層されている。ここで、上述したように基板２の主面をｍ面で構成しているので、基板２の主面上に積層された窒化物半導体積層構造３の主面も、活性層１３において偏光された光を発光することが可能な無極性面であるｍ面に構成されている。

ｎ型コンタクト層１１は、ｎ型のドーパントとして濃度が約１×１０^１８ｃｍ^―３のシリコンがドープされた約３μｍ以上の厚みを有するｎ型ＧａＮ層からなる。

反射層１２は、光取出方向Ａとは反対側に進行する光を光取出方向Ａへと反射するためのものであり、活性層１３の面のうち光取出方向Ａとは反対側の面に連続して形成されている。反射層１２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層とＧａＮ層とが周期的に１０ペア積層された超格子層である。尚、ＡｌＧａＮ層内のＡｌの組成は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との屈折率差を大きくして反射率を上げるために２０％以上が好ましく、最も好ましくは１００％である。

これら反射層１２を構成するＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層とＧａＮ層の１周期（１ペア）の厚みｄは、反射した光が強め合うように、
ｄ＝（λ／４ｎ_１）＋（λ／４ｎ_２） ・・・（１）
となるように形成されている。ここで、λを活性層１３により発光される光の波長、ｎ_１をＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層の屈折率、ｎ_２をＧａＮ層の屈折率とする。従って、例えば、４３０ｎｍの光を活性層１３が発光する場合、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層及びＧａＮ層の１周期の厚みは、
４３０／（４×２．３８）＋４３０／（４×２．５２）＝８８
より、約８８ｎｍの厚みに構成される。尚、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層及びＧａＮ層の厚みやペアの数は適宜変更可能であるが、反射率を上げるためには１０ペア以上が好ましい。

活性層１３は、シリコンがドープされた厚さ約３ｎｍのＩｎＧａＮ層と厚さ約９ｎｍの厚さのＧａＮ層とが交互に５周期積層された量子井戸構造を有する。この活性層１３は、約４３０ｎｍの光を発光する。

ファイナルバリア層１４は、約４０ｎｍの厚みを有するＧａＮ層からなる。尚、ドーピングについては、ｐ型、ｎ型及びノンドープのいずれでもよいが、ノンドープが好ましい。

ｐ型電子阻止層１５は、ｐ型のドーパントとして濃度が約３×１０^１９ｃｍ^−３のマグネシウムがドープされた約２８ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層からなる。

ｐ型コンタクト層１６は、ｐ型のドーパントとして濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３のマグネシウムがドープされた約７０ｎｍの厚みを有するＧａＮ層からなる。ｐ型コンタクト層１６の光取出方向Ａ側の光取出側面１６ａは、活性層１３から発光された光を窒化物半導体積層構造３から取り出すためのものである。この光取出側面１６ａの表面は、光の散乱を抑制して偏光比の低下を抑制するために、凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面加工されている。例えば、結晶成長により、上述したような平坦な鏡面を得ることができる。

アノード電極４は、Ｎｉ層及びＡｕ層をｐ型コンタクト層１６側から順に積層した金属層からなる。アノード電極４は、ｐ型コンタクト層１６とオーミック接続されるとともに、窒化物半導体積層構造３の水平方向（積層方向と直行する方向）の全領域に均一に電流を流すためにｐ型コンタクト層１６上の略全面を覆うように形成されている。このアノード電極４は、活性層１３により発光された光を透過可能な約２００Å以下の厚みを有する。

アノード電極４の光取出面４ａは、ｐ型コンタクト層１６の光取出側面１６ａと同様に、表面の凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面加工されている。例えば、電子ビーム蒸着法を用いれば、上述したような鏡面を得ることができる。このように、鏡面加工された光取出側面１６ａ及び光取出面４ａによって、活性層１３から発光された光は散乱が抑制されるので偏光比が高く維持されたまま取り出される。アノード電極４上の一部の領域には、Ｔｉ層及びＡｕ層が積層された接続部５が設けられている。

カソード電極６は、Ｔｉ層及びＡｌ層が積層されている。カソード電極６は、ｎ型コンタクト層１１の上面のうち露出されている領域にオーミック接続された状態で形成されている。

次に、上述した半導体発光素子１の動作説明をする。この半導体発光素子１では、アノード電極４から電子が供給されるとともに、カソード電極６からホールが供給されると、半導体層１１、１２を介して活性層１３に電子が注入され、半導体層１４〜１６を介して活性層１３にホールが注入される。活性層１３に注入された電子及びホールは結合して約４３０ｎｍの光を発光する。ここで窒化物半導体積層構造３の主面は無極性面であるｍ面であるので、活性層１３により発光された光は偏光している。

この偏光した光のうち、光取出方向Ａに進行する光は、半導体層１４〜１６及びアノード電極４を透過して外部に取り出される。一方、光取出方向Ａと反対方向に進行する光は、反射層１２により光取出方向Ａへと反射され、散乱されることなく偏光状態を略保ったまま、半導体層１４〜１６及びアノード電極４を透過して外部に取り出される。

次に、上述した半導体発光素子の製造方法について説明する。

まず、主面が無極性面のｍ面でありＧａＮの単結晶からなる基板２を用意する。ここで、無極性面であるｍ面を主面とする基板２は、まず、Ｃ面を主面とするＧａＮ単結晶基板を切り出した後、（０００１）方向及び（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）になるようにＣＭＰ法（化学的機械的研磨法）によって表面を研磨することによって作製される。これにより、ｍ面を主面とし、転位や積層欠陥といった結晶欠陥が少なく、表面の段差が原子レベルまで抑制された基板２を得ることができる。

次に、上述した基板２上にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体積層構造３を成長させる。具体的には、まず、基板２をＭＯＣＶＤ装置（図示略）の処理室内に導入し、加熱及び回転可能なサセプタ上に配置する。尚、処理室内は、１／１０気圧〜常圧に設定され、常に処理室内の雰囲気が排気されている。

次に、表面の荒れを抑制しつつＧａＮ層を成長させるために、基板２が保持された処理室内にキャリアガス（Ｈ_２ガス）によってアンモニアガスを供給しつつ、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に昇温させる。

次に、基板２の温度が約１０００℃〜約１１００℃まで上昇した後、キャリアガスによってアンモニア、トリメチルガリウム及びシランを処理室に供給して、シリコンがドープされたｎ型ＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１１を成長させる。

次に、基板２の温度を約１０５０℃〜約１１５０℃に設定した後、キャリアガスによってアンモニアガス及びトリメチルガリウムを処理室に供給してＧａＮ層を成長させた後、上述のガスとともにトリメチルアルミニウムを供給することによりＡｌＧａＮ層を成長させる。ここで、トリメチルアルミニウムは、ＡｌＧａＮ層内のＡｌの組成比が２０％以上になるように流量を調整する。これらＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を成長させる工程を所望のペア数繰り返すことによって反射層１２を形成する。

次に、基板２の温度を約７００℃〜約８００℃に設定した後、キャリアガスによってアンモニア、トリメチルガリウムを処理室に供給してノンドープのＧａＮ層を成長させた後、上述のガスとともにシラン及びトリメチルインジウムを供給することによりシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層を成長させる。

そして、これらノンドープのＧａＮ層とシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層を成長させる工程を交互に所望の回数繰り返すことによって量子井戸構造を有する活性層１３を形成する。その後、キャリアガスによってアンモニア及びトリメチルガリウムを処理室に供給して、ＧａＮ層からなるファイナルバリア層１４を成長させる。

次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃まで昇温させた後、キャリアガスによってアンモニアガス、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム及びエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子阻止層１５を成長させる。

次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に保ったまま、キャリアガスによってアンモニアガス、トリメチルガリウム及びエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層１６を成長させる。これによって窒化物半導体積層構造３が完成する。

次に、抵抗加熱法または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極４を形成する。その後、窒化物半導体積層構造３が形成された基板２をエッチング室に移動させて、ｎ型コンタクト層１１の一部が露出するように窒化物半導体積層構造３の一部をプラズマエッチングする。

次に、抵抗加熱法または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、接続部５、カソード電極６を形成する。この後、劈開により各素子ごとに分割されて、図１に示す半導体発光素子１が完成する。

上述したように、第１実施形態による半導体発光素子１では、無極性面であるｍ面を主面とする窒化物半導体積層構造３を備えているので、活性層１３において偏光した光が発光する。ここで発光した光のうち、光取出方向Ａと逆方向に進行した光は、一般に基板の底面などにより散乱されて偏光比が低下するが、第１実施形態による半導体発光素子１では活性層１３と基板２との間に反射層１２を設けることにより、光取出方向Ａと逆方向に進行した光を反射層１２によって光取出方向Ａへと反射することができるので、光が散乱されやすい基板２の底面などにより散乱されて偏光比が低下することを抑制できる。

これにより、光取出面４ａから取り出される光量を高めることができるとともに、偏光比の高い光を光取出面４ａから取り出すことができる。特に、活性層１３と連続して反射層１２を形成することにより、ｎ型コンタクト層１１などによる光の散乱及び吸収をも抑制することができ、より偏光比の高い光を多く取り出すことができる。

このように半導体発光素子１は、偏光比が高い光を取り出せるので、液晶ディスプレイの光源として半導体発光素子１を適用した場合、光を偏光させるための偏光フィルターを一つ省略することができる。または、偏光フィルターを透過する光の割合を大きくすることができる。

また、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の１周期の厚みｄが式（１）を満たすように反射層１２を形成することにより、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の界面で反射された光が強め合うので、取り出される光量をより多くすることができる。

次に、第１実施形態の一部を変更した第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態による半導体発光素子の断面図である。尚、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付けて説明を省略する。

図２に示すように、半導体発光素子１Ａは、窒化物半導体積層構造３Ａの反射層１２Ａがｎ型コンタクト層１１と基板２との間、即ち、基板２上に設けられている。この反射層１２Ａは、第１実施形態の反射層１２と同様に、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが積層された積層構造を有する。

上述したように、第２実施形態による半導体発光素子１Ａは、基板２上に反射層１２Ａを設けることにより、アノード電極４とカソード電極６との間に形成される電流の流路に反射層１２Ａが介在しない。従って、当該電流の流路の抵抗を低減することができるので、低電力で駆動可能な半導体発光素子１Ａを実現することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、各層を構成する材料や厚み、ドーパントの濃度などは適宜変更可能である。

また、上述の実施形態では、反射層をＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層及びＧａＮ層により構成したが、他のＡｌの組成の異なる複数の半導体層により構成してもよい。例えば、反射層を格子整合した２種類のＡｌＩｎＧａＮ層を積層することによって構成してもよい。このように構成することにより、２種類のＡｌＩｎＧａＮ層のペア数を増加させても、各ＡｌＩｎＧａＮ層間に作用する応力を抑制することができるので、クラックの発生を抑制することができる。

また、上述の実施形態では、本発明を発光ダイオードに適用した例を示したが、レーザなど他の装置に本発明を適用してもよい。

また、上述の実施形態では、活性層１３から視て基板２とは反対方向を光取出方向Ａとしたが、活性層から視て基板のある方向を光取出方向としてもよい。このように構成する場合には、反射層は、活性層を挟み基板とは反対側の位置に形成される。

また、上述の実施形態では、基板２及び窒化物半導体積層構造３の主面をｍ面としたが、基板及び窒化物半導体積層構造の主面はｍ面に限定されるものではなく、活性層で発光された光を偏光させることが可能な略無極性面又は略半極性面によって構成してもよい。尚、略無極性面又は略非極性面とは、無極性面及び半極性面のみならず、無極性面から±１°以内のオフ角を有する面及び半極性面から±１°以内のオフ角を有する面を含む概念である。ここで、基板を構成するＧａＮの結晶構造及び結晶面について簡単に説明する。ＧａＮの結晶構造は、六角柱型の六方晶系で近似することができる。そして、六角柱の軸方向に沿うＣ軸を法線とする面がＣ面（０００１）となる。既知の通り、ＧａＮの結晶構造では、分極方向がＣ軸方向に沿っているため、Ｃ面が＋Ｃ軸側の面と−Ｃ軸側の面とで異なる性質を示すので、Ｃ面は極性面（Ｐｏｌａｒ Ｐｌａｎｅ）となる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０−１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１−２０）である。これらは、Ｃ面に対して垂直な結晶面であり、分極方向に対して直交しているので、極性のない無極性面（Ｎｏｎｐｏｌａｒ Ｐｌａｎｅ）である。また、Ｃ面に対して平行でもなく直角でもなく傾斜している結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているので、若干の極性を有する半極性面（Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｎｅ）である。半極性面の具体例としては、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１１−２２）面、（１１−２４）面、（１０−１２）面などがある。

また、基板を構成する材料はＧａＮ単結晶に限定されるものではなく、主面がｍ面又はａ面のサファイア基板、主面が（１００）面又は（１１０）面のスピネル基板、主面がｍ面のＳｉＣ基板、ＬｉＡｌＯ_２基板、などを適用することもできる。

第１実施形態による半導体発光素子の断面図である。 第２実施形態による半導体発光素子の断面図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
１Ａ 半導体発光素子
２ 基板
３ 窒化物半導体積層構造
３Ａ 窒化物半導体積層構造
４ アノード電極
４ａ 光取出面
５ 接続部
６ カソード電極
１１ ｎ型コンタクト層
１２ 反射層
１２Ａ 反射層
１３ 活性層
１４ ファイナルバリア層
１５ 型電子阻止層
１６ 型コンタクト層
１６ａ 光取出側面
Ａ 光取出方向

Claims (6)

1. 光を発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子において、
   前記窒化物半導体積層構造の主面が、略無極性面又は略半極性面であり、
   前記窒化物半導体積層構造は、前記活性層により発光された光を所望の光取出方向へと反射するための反射層を備え、
   前記反射層は、Ａｌの組成が異なる複数の半導体層が積層された超格子層からなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記反射層は、格子整合した２種類のＡｌＩｎＧａＮが積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 基板を備え、
   前記反射層は、前記基板と前記活性層との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
4. 前記反射層は、前記活性層と連続して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記反射層は、前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
6. 前記反射層は、第１半導体層及び第２半導体層が周期的に積層され、
   前記活性層に発光された光の波長をλとし、前記第１半導体層の屈折率をｎ_１とし、前記第２半導体層の屈折率をｎ_２とした場合、
   前記反射層を構成する前記第１半導体層及び前記第２半導体層の１周期の厚みが、
   （λ／４ｎ_１）＋（λ／４ｎ_２）
   となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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