JP2008130878A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】トンネル接合を有する窒化物半導体発光素子において、信頼性を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に、順次形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、p型窒化物半導体トンネル接合層およびn型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含む窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図1
【解決手段】基板と、基板上に、順次形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、p型窒化物半導体トンネル接合層およびn型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含む窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図1
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、トンネル接合を有する窒化物半導体発光素子に関する。
従来から、p型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、p型窒化物半導体層上に形成されるp側電極については以下の3つの条件を満たすことが求められている。
まず、第1番目の条件としては、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対して透過率が高いことである。次に、第2番目の条件として、注入される電流を発光層の面内に十分に拡散させることができる抵抗率および厚さを有していることである。最後に、第3番目の条件として、p型窒化物半導体層との接触抵抗が低いことである。
p型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている窒化物半導体発光ダイオード素子のp型窒化物半導体層上に形成されるp側電極としては、従来、パラジウムやニッケル等の数〜10nm程度の厚さの金属膜からなる半透明金属電極がp型窒化物半導体層の全面に形成されていた。しかしながら、このような半透明金属電極は、窒化物半導体発光ダイオード素子から発光した光に対する透過率が50%程度と低いために光取り出し効率が低下し、高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることは困難であるという問題があった。
そこで、パラジウムやニッケル等の金属膜からなる半透明金属電極に代えて、ITO(Indium Tin Oxide)からなる透明導電膜をp型窒化物半導体層の全面に形成することによって光取り出し効率を向上させた高輝度の窒化物半導体発光ダイオード素子が製造されている。このような透明導電膜が形成された窒化物半導体発光ダイオード素子においては懸念されていた透明導電膜とp型窒化物半導体層との接触抵抗も熱処理等によって改善されている。
また、特許文献1には、第1のn型III族窒化物半導体積層構造、p型III族窒化物半導体積層構造、および第2のn型III族窒化物半導体積層構造を少なくとも有するIII族窒化物半導体積層構造が基板上に形成されており、第1のn型III族窒化物半導体積層構造中のn型III族窒化物半導体層には負電極が設けられ、第2のn型III族窒化物半導体積層構造中のn型III族窒化物半導体層には正電極が設けられており、第2のn型III族窒化物半導体積層構造のn型III族窒化物半導体層とp型III族窒化物半導体積層構造のp型III族窒化物半導体層とによりトンネル接合を形成した窒化物半導体発光ダイオード素子が開示されている。
特許文献1に開示されている窒化物半導体発光ダイオード素子においては、正電極が第2のn型III族窒化物半導体積層構造中のn型III族窒化物半導体層に形成されており、n型III族窒化物半導体はp型III族窒化物半導体に比べて容易にキャリア濃度を上げることが可能であることから、p型III族窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧が低く、大出力での駆動が可能である。
また、窒化物半導体発光ダイオード素子の故障原因の一つとなっていた正電極における発熱も低減されるため、信頼性も向上することができると言われている。
特開2002−319703号公報
しかしながら、ITOからなる透明導電膜は、高温にすると光学的性質が不可逆的に変化し、可視光の透過率が低下するという問題があった。また、ITOからなる透明導電膜を用いた場合には、可視光の透過率が低下するのを防止するために、ITOからなる透明導電膜の形成後のプロセスの温度領域が制限されてしまうという問題があった。さらに、ITOからなる透明導電膜は大電流密度の駆動で劣化し、黒色化するという問題もあった。
また、特許文献1に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、正電極との接触抵抗を低減することができる一方で、トンネル接合部における電圧ロスに起因する信頼性が問題となる。
たとえば、特許文献1の実施例1等においては、キャリア濃度が1×1019/cm3のp型In0.16Ga0.84N層とキャリア濃度が1×1020/cm3のn型In0.16Ga0.84N層とのトンネル接合を有する窒化物半導体発光ダイオード素子が開示されているが、このような構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を大電流密度で駆動させた場合には、高濃度でドーピングされた不純物およびInGaNからなる窒化物半導体層の格子欠陥等に起因して劣化が起こり、信頼性不良の原因となっていた。
そこで、本発明の目的は、信頼性を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
本発明は、基板と、基板上に、順次形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、p型窒化物半導体トンネル接合層とn型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、p型窒化物半導体トンネル接合層およびn型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含む窒化物半導体発光素子である。
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、基板と第1のn型窒化物半導体層との間、第1のn型窒化物半導体層と発光層との間、発光層とp型窒化物半導体トンネル接合層との間、およびn型窒化物半導体トンネル接合層と第2のn型窒化物半導体層との間からなる群から選択された少なくとも1つの間に他の層が形成されていてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、p型窒化物半導体トンネル接合層およびn型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方におけるアルミニウムの含有量が1原子%以上5原子%以下であることが好ましい。
なお、本発明において、「原子%」は、Alがp型窒化物半導体トンネル接合層に含まれ、かつn型窒化物半導体トンネル接合層に含まれない場合には、p型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるIII族元素(Al、GaおよびIn)の総原子数に対して含有されるAlの原子数の割合(%)を示し、Alがn型窒化物半導体トンネル接合層に含まれ、かつp型窒化物半導体トンネル接合層に含まれない場合には、n型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるIII族元素(Al、GaおよびIn)の総原子数に対して含有されるAlの原子数の割合(%)を示す。また、Alがp型窒化物半導体トンネル接合層およびn型窒化物半導体トンネル接合層の双方に含まれる場合には、p型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるIII族元素(Al、GaおよびIn)の総原子数に対して含有されるAlの原子数の割合(%)およびn型窒化物半導体トンネル接合層に含まれるIII族元素(Al、GaおよびIn)の総原子数に対して含有されるAlの原子数の割合(%)の少なくとも一方を示している。なお、本明細書において、Alはアルミニウムを示し、Gaはガリウムを示し、Inはインジウムを示す。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、p型窒化物半導体トンネル接合層はAlとIn(インジウム)とを含んでおり、Inの含有量がAlの含有量よりも多いことが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体トンネル接合層はAlとInとを含んでおり、Inの含有量がAlの含有量よりも多いことが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、p型窒化物半導体トンネル接合層におけるp型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体トンネル接合層におけるn型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、n型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは10nm以下であることが好ましい。
なお、本発明において、「p型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるp型不純物の原子濃度を示し、「n型不純物のドーピング濃度」は窒化物半導体中に含まれるn型不純物の原子濃度を示しており、それぞれたとえばSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)等の方法により定量的に算出することができる。
本発明によれば、信頼性を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図1に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体発光ダイオード素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、図1に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板1と、基板1上に、順次積層された、第1のn型窒化物半導体層2と、発光層3と、p型窒化物半導体層4と、p型窒化物半導体トンネル接合層5と、n型窒化物半導体トンネル接合層6と、n型窒化物半導体蒸発抑制層7と、第2のn型窒化物半導体層8と、を有しており、第1のn型窒化物半導体層2上にn側電極12が形成され、第2のn型窒化物半導体層8上にp側電極13が形成された構成を有している。
このような構成の窒化物半導体発光素子においては、従来のp型窒化物半導体層に正電極を形成した従来の構造と比べて接触抵抗を小さくすることができ、駆動電圧を低くすることができる一方で、p型窒化物半導体トンネル接合層5とn型窒化物半導体トンネル接合層6との接合部であるトンネル接合部における電圧ロスをいかに小さくすることができるかということが問われる。
このトンネル接合部におけるトンネリング確率Ttは、一般的に下記の式(1)で表わされる。
Tt=exp((−8π(2me)1/2Eg3/2)/(3qhε)) …(1)
なお、上記の式(1)において、Ttはトンネリング確率を示し、meは伝導電子の有効質量を示し、Egはエネルギギャップを示し、qは電子の電荷を示し、hはプランク定数を示し、εはトンネル接合部にかかる電界を示している。
なお、上記の式(1)において、Ttはトンネリング確率を示し、meは伝導電子の有効質量を示し、Egはエネルギギャップを示し、qは電子の電荷を示し、hはプランク定数を示し、εはトンネル接合部にかかる電界を示している。
窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減するためには、このトンネリング確率Ttを大きくすることが望まれる。上記の式(1)から、トンネリング確率Ttを大きくするための方法としては、トンネル接合部におけるエネルギギャップEgを小さくすることおよびトンネル接合部にかかる電界εを大きくすることが考えられる。
たとえば特許文献1に記載のp型InGaN層とn型InGaN層とのトンネル接合を有する構成の従来の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、トンネル接合部におけるエネルギギャップEgを小さくする方法としてp型InGaN層とn型InGaN層のそれぞれの層のInの含有量を大きくする方法が挙げられる。また、トンネル接合部にかかる電界εを大きくする方法としてp型InGaN層とn型InGaN層のそれぞれのイオン化不純物濃度を大きくする方法が挙げられる。
しかしながら、この特許文献1に記載の従来の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、Inを固相として含有させるためには900℃以下の低温でp型InGaN層およびn型InGaN層をそれぞれ成長させる必要があることからこれらの層の結晶性が悪化すること、p型InGaN層およびn型InGaN層はそれぞれ3元混晶であることから点欠陥および線欠陥等の格子欠陥が多く存在すること、ならびにイオン化不純物濃度を大きくするために不純物を高濃度にドーピングすること等に起因して、窒化物半導体発光ダイオード素子の信頼性が悪化していた。
そこで、本発明者が鋭意検討した結果、トンネル接合を構成するp型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6の少なくとも一方にAlを含ませることによって、低温でp型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6を成長させた場合やイオン化不純物濃度を大きくするために不純物を高濃度にドーピングした場合でも信頼性が向上することを見いだし、本発明を完成するに至った。
ここで、p型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6がAlを含有する場合には、駆動電圧の上昇を抑制する観点から、Alの含有量を1原子%以上5原子%以下とすることが好ましく、たとえば、AlxInyGa1-(x+y)N(0.01<x≦0.05、0<y<1、x<y)の組成式で表わされる4元混晶の窒化物半導体結晶にp型不純物および/またはn型不純物がドーピングされた材料をp型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6として用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、xはAlの組成比を示し、yはInの組成比を示し、1−(x+y)はGaの組成比を示す。
また、駆動電圧を低減するためには、p型窒化物半導体トンネル接合層5のイオン化不純物濃度は1×1018/cm3以上であることが好ましいことから、p型窒化物半導体トンネル接合層5におけるp型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。なお、本発明において、p型不純物としては、たとえばMg(マグネシウム)および/またはZn(亜鉛)等をドーピングすることができる。
また、駆動電圧を低減するためには、n型窒化物半導体トンネル接合層6のイオン化不純物濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましいことから、n型窒化物半導体トンネル接合層6におけるn型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることが好ましい。なお、本発明において、n型不純物としては、たとえばSi(シリコン)および/またはGe(ゲルマニウム)等をドーピングすることができる。
また、n型窒化物半導体トンネル接合層6はドナー準位が浅く、活性化率が高いため、イオン化不純物濃度をたとえば1×1019/cm3以上と高くすることができ、トンネル接合部におけるn型窒化物半導体トンネル接合層6側への空乏層の広がりが小さいこと、ならびに発光層3から放射された光の吸収量を低減することを考慮すると、n型窒化物半導体トンネル接合層6の厚さは10nm以下であることが好ましい。
また、n型窒化物半導体トンネル接合層6においては、n型不純物とともにp型不純物をドーピングしてもよい。この場合には、p型窒化物半導体トンネル接合層5からのp型不純物の拡散の抑止し、空乏層内に中間準位を形成する等の効果を期待することができるため、トンネリング確率の向上に寄与し得る。
また、p型窒化物半導体トンネル接合層5およびn型窒化物半導体トンネル接合層6にはそれぞれ逆の導電型の層および/またはアンドープ層を含んでいてもよく、逆の導電型の層およびアンドープ層の層厚はそれぞれトンネル接合部においてキャリアがトンネリングする厚さ(たとえば2nm以下)であることが好ましい。
基板1としては、たとえば、シリコン基板、炭化ケイ素基板、または酸化亜鉛基板等を用いることができる。
第1のn型窒化物半導体層2としては、たとえばn型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができる。
発光層3としては、たとえば単一量子井戸(SQW)構造または多重量子井戸(MQW)構造を有する窒化物半導体結晶を成長させることができ、なかでも、AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦1−(a+b)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶を含む多重量子井戸構造を有するものを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、aはAlの組成比を示し、bはInの組成比を示し、1−(a+b)はGaの組成比を示す。
p型窒化物半導体層4としては、たとえばp型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでもAlを含むp型クラッド層上にp型GaN層を成長させたものを用いることができる。
n型窒化物半導体蒸発抑制層7を形成することにより、p型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6がInを含む場合にこれらの層からInが蒸発するのを抑制することができる。
ここで、n型窒化物半導体蒸発抑制層7としては、たとえば、AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦1−(c+d)≦1)の組成式で表わされる窒化物半導体結晶にn型不純物をドーピングした層を用いることができ、なかでもn型GaNを用いることが好ましい。なお、上記の組成式において、cはAlの組成比を示し、dはInの組成比を示し、1−(c+d)はGaの組成比を示す。また、n型窒化物半導体蒸発抑制層7は、p型窒化物半導体トンネル接合層5および/またはn型窒化物半導体トンネル接合層6と同程度の温度で成長させられることが好ましい。
第2のn型窒化物半導体層8を形成することにより、第2のn型窒化物半導体層8上に形成されたp側電極13から注入された電流を拡散させることができる。
ここで、第2のn型窒化物半導体層8としては、たとえば、n型不純物がドーピングされた窒化物半導体結晶を用いることができ、なかでも抵抗率の低い層であることが好ましく、特に、キャリア濃度が1×1018/cm3以上のGaNから構成されることが望ましい。
第1のn型窒化物半導体層2上に形成されるn側電極12および第2のn型窒化物半導体層8上に形成されるp側電極13としては、たとえば、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)およびAl(アルミニウム)からなる群から選択された少なくとも1種の金属を用いて、オーミック接触をとるように形成されることが好ましい。
ここで、n側電極12は、上記の第2のn型窒化物半導体層8の成長後のウエハを第2のn型窒化物半導体層8側からエッチングすることによって第1のn型窒化物半導体層2の表面の一部を露出させ、その露出面上に形成することができる。
また、別途用意した導電性の支持基板に上記の第2のn型窒化物半導体層8の成長後のウエハの第2のn型窒化物半導体層8側を貼り付けることによって、第1のn型窒化物半導体層2側が光取り出し側、第2のn型窒化物半導体層8側を支持基板側とし、支持基板側に反射率の高いAl、PtおよびAgからなる群から選択された少なくとも1種の金属を形成して、上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることもできる。
このような上下電極構造の窒化物半導体発光ダイオード素子によれば、第2のn型窒化物半導体層8は従来のp型窒化物半導体層よりもキャリア濃度を高くすることができることから、金属の仕事関数に関わらず、キャリアのトンネリングによるオーミック特性が得やすくなり、上述した反射率の高い金属を第2のn型窒化物半導体層8上に形成することができるため、光取り出し効率が向上する傾向にある。
(実施例1)
実施例1においては、図2の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、サファイア基板101上に、GaNバッファ層102、n型GaN下地層103、n型GaNコンタクト層104、発光層105、p型AlGaNクラッド層106、p型GaNコンタクト層107、p型トンネル接合層108、n型トンネル接合層109、n型GaN蒸発抑制層110およびn型GaN層111がこの順序で積層され、n型GaN層111の表面上にパッド電極112が形成され、n型GaNコンタクト層104の表面上にパッド電極113が形成された構成を有している。
実施例1においては、図2の模式的断面図に示す構成の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。ここで、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子は、サファイア基板101上に、GaNバッファ層102、n型GaN下地層103、n型GaNコンタクト層104、発光層105、p型AlGaNクラッド層106、p型GaNコンタクト層107、p型トンネル接合層108、n型トンネル接合層109、n型GaN蒸発抑制層110およびn型GaN層111がこの順序で積層され、n型GaN層111の表面上にパッド電極112が形成され、n型GaNコンタクト層104の表面上にパッド電極113が形成された構成を有している。
まず、サファイア基板101をMOCVD装置の反応炉内にセットした。そして、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、サファイア基板101の表面(C面)のクリーニングを行なった。
次に、サファイア基板101の温度を510℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG(トリメチルガリウム)を反応炉内に流して、サファイア基板101の表面(C面)上にGaNバッファ層102をMOCVD法により約20nmの厚さでサファイア基板101上に成長させた。
次いで、サファイア基板101の温度を1050℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siがドーピングされたn型GaN下地層103(キャリア濃度:1×1018/cm3)をMOCVD法により6μmの厚さでGaNバッファ層102上に成長させた。
続いて、キャリア濃度が5×1018/cm3となるようにSiをドーピングしたこと以外はn型GaN下地層103と同様にして、n型GaNコンタクト層104をMOCVD法により0.5μmの厚さでn型GaN下地層103上に成長させた。
次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI(トリメチルインジウム)を反応炉内に流して、n型GaNコンタクト層104上に2.5nmの厚さのIn0.25Ga0.75N層と18nmの厚さのGaN層とを交互に6周期MOCVD法により成長させて、多重量子井戸構造を有する発光層105をn型GaNコンタクト層104上に形成した。なお、発光層105の形成時において、GaN層を成長させる際にはTMIを反応炉内に流していないことは言うまでもない。
次いで、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMA(トリメチルアルミニウム)、不純物ガスとしてCP2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAl0.15Ga0.85Nからなるp型AlGaNクラッド層106をMOCVD法により約30nmの厚さで発光層105上に成長させた。
次に、サファイア基板101の温度を950℃に保持したままで、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるp型GaNコンタクト層107をMOCVD法によりp型AlGaNクラッド層106上に0.1μmの厚さに成長させた。
その後、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMA、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAlxInyGa1-(x+y)N(0≦x≦0.05、y=0.25)からなるp型トンネル接合層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。
その後、サファイア基板101の温度を700℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMA、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたAlxInyGa1-(x+y)N(0≦x≦0.05、y=0.25)からなるn型トンネル接合層109(キャリア濃度:5×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層108上に4nmの厚さに成長させた。なお、n型トンネル接合層109におけるAlの含有量はp型トンネル接合層108と同一とした。
なお、p型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109にAlを含有させない場合(すなわち、x=0の場合)にはTMAを流さなかったことは言うまでもない。
その後、サファイア基板101の温度を700℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたGaNからなるn型GaN蒸発抑制層110(キャリア濃度:5×1019/cm3)をn型トンネル接合層109上に15nmの厚さに成長させた。
その後、サファイア基板101の温度を950℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびTMG、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、Siが1×1019/cm3の濃度でドーピングされたGaNからなるn型GaN層111をMOCVD法によりn型GaN蒸発抑制層110上に0.2μmの厚さに成長させた。
次に、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なった。
そして、上記のアニーリング後のウエハを反応炉から取り出し、そのウエハの最上層のn型GaN層111の表面上に所定の形状にパターンニングされたマスクを形成した。そして、RIE(Reactive Ion Etching)法により、上記のウエハの一部についてn型GaN層111側からエッチングを行ない、n型GaNコンタクト層104の表面の一部を露出させた。
そして、n型GaN層111の表面上にパッド電極112を形成し、n型GaNコンタクト層104の表面上にパッド電極113を形成した。ここで、パッド電極112およびパッド電極113は、n型GaN層111の表面上およびn型GaNコンタクト層104の表面上にそれぞれTi層とAl層を順次積層することによって同時に形成された。その後、ウエハを複数のチップに分割することによって、図2の模式的断面図に示す構成を有する実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
図3に、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量と、ブレークダウン電流密度と、の関係を示す。なお、ブレークダウン電流密度とは、トンネル接合部が破壊されて発光が停止したときの注入電流の密度のことである。また、図3において、縦軸はブレークダウン電流密度(A/cm2)を示し、横軸はp型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量(原子%)を示している。
図3に示すように、p型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量が1原子%以上5原子%以下の範囲内にある場合には、Al含有量が1原子%以上5原子%以下の範囲外にある場合と比べてブレークダウン電流密度が飛躍的に大きくなることがわかる。
図4に、実施例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のp型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量と、駆動電圧と、の関係を示す。なお、図4において、縦軸は20mAの電流注入時の駆動電圧(V)を示し、横軸はp型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量(原子%)を示している。
図4に示すように、p型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量が5原子%を超えた時点から急激に駆動電圧が上昇していることから、p型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量は5原子%以下が好ましいことがわかる。
したがって、以上の結果から、p型トンネル接合層108およびn型トンネル接合層109のAl含有量は1原子%以上5原子%以下であることが好ましい。
(実施例2)
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
そして、p型GaNコンタクト層107の成長後、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMA、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたAl0.02In0.25Ga0.73Nからなるp型トンネル接合層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。
その後、サファイア基板101の温度を700℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるn型InGaNトンネル接合層109(キャリア濃度:5×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層108上に4nmの厚さに成長させた。
その後は、実施例1と同一の条件および同一の方法で、実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
実施例2の窒化物半導体発光ダイオード素子のブレークダウン電流密度を評価したところ、後述する比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもブレークダウン電流密度が高く、信頼性が高いことが判明した。
(実施例3)
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
そして、p型GaNコンタクト層107の成長後、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるp型トンネル接合層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。
その後、サファイア基板101の温度を700℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMA、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたAl0.02In0.25Ga0.73Nからなるn型InGaNトンネル接合層109(キャリア濃度:5×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層108上に4nmの厚さに成長させた。
その後は、実施例1と同一の条件および同一の方法で、実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子のブレークダウン電流密度を評価したところ、後述する比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもブレークダウン電流密度が高く、信頼性が高かった。
(比較例1)
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
p型GaNコンタクト層107を成長させるところまでは実施例1と同一の条件および同一の方法で作製した。
そして、p型GaNコンタクト層107の成長後、サファイア基板101の温度を700℃まで低下させ、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてCP2Mgを反応炉内に流して、Mgが1×1020/cm3の濃度でドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるp型トンネル接合層108をMOCVD法によりp型GaNコンタクト層107上に20nmの厚さに成長させた。
その後、サファイア基板101の温度を700℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、TMGおよびTMI、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流して、SiがドーピングされたIn0.25Ga0.75Nからなるn型InGaNトンネル接合層109(キャリア濃度:5×1019/cm3)をMOCVD法によりp型トンネル接合層108上に4nmの厚さに成長させた。
その後は、実施例1と同一の条件および同一の方法で、比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
比較例1の窒化物半導体発光ダイオード素子のブレークダウン電流密度は、上述したように、実施例2および実施例3の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもブレークダウン電流密度が低く、信頼性が低かった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、トンネル接合を有し、青色光(たとえば、波長430nm以上490nm以下)を発光する窒化物半導体発光ダイオード素子等の窒化物半導体発光素子の信頼性を向上することができる。
1 基板、2 第1のn型窒化物半導体層、3 発光層、4 p型窒化物半導体層、5 p型窒化物半導体トンネル接合層、6 n型窒化物半導体トンネル接合層、7 n型窒化物半導体蒸発抑制層、8 第2のn型窒化物半導体層、12 n側電極、13 p側電極、101 サファイア基板、102 GaNバッファ層、103 n型GaN下地層、104 n型GaNコンタクト層、105 発光層、106 p型AlGaNクラッド層、107 p型GaNコンタクト層、108 p型トンネル接合層、109 n型トンネル接合層、110 n型GaN蒸発抑制層、111 n型GaN層、112,113 パッド電極。
Claims (7)
- 基板と、前記基板上に、順次形成された、第1のn型窒化物半導体層と、発光層と、p型窒化物半導体トンネル接合層と、n型窒化物半導体トンネル接合層と、第2のn型窒化物半導体層と、を含み、前記p型窒化物半導体トンネル接合層と前記n型窒化物半導体トンネル接合層とはトンネル接合を形成しており、前記p型窒化物半導体トンネル接合層および前記n型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方がアルミニウムを含むことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
- 前記p型窒化物半導体トンネル接合層および前記n型窒化物半導体トンネル接合層の少なくとも一方におけるアルミニウムの含有量が1原子%以上5原子%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p型窒化物半導体トンネル接合層はアルミニウムとインジウムとを含んでおり、インジウムの含有量がアルミニウムの含有量よりも多いことを特徴とする、請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物半導体トンネル接合層はアルミニウムとインジウムとを含んでおり、インジウムの含有量がアルミニウムの含有量よりも多いことを特徴とする、請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p型窒化物半導体トンネル接合層におけるp型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物半導体トンネル接合層におけるn型不純物のドーピング濃度は1×1019/cm3以上であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物半導体トンネル接合層の厚さは10nm以下であることを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
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