JP2008187033A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子 Download PDF

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Abstract

【課題】光取り出し効率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、基板上に基板側から順次積層された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層と、金属層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、第２のｎ型窒化物半導体層の表面上または第２のｎ型窒化物半導体層の表面上方に電極を備えた窒化物半導体発光素子である。ここで、金属層は水素吸蔵合金であることが好ましい。
【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、光取り出し効率を向上することができる窒化物半導体発光素子に関する。
従来の窒化物半導体発光素子としての窒化物半導体発光ダイオード素子のｐ型窒化物半導体層側が光取り出し側となっている素子構造において、ｐ型窒化物半導体層の表面上に形成される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の条件としては、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光層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の条件としては、注入された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の条件としては、ｐ型窒化物半導体層とのコンタクト抵抗が低いことである。
上述した第１〜第３の条件を満たすために、近年、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し方向となるｐ型窒化物半導体層の表面上の電極としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明導電膜が使用され始めている。
しかしながら、ＩＴＯからなる透明導電膜は、高温にすると光化学的な性質が不可逆的に変化し、可視光の透過率が低下するため、透明導電膜の形成後のプロセスの温度領域が制限され、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があった。
上記の問題の解決方法として、たとえば特許文献１には、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の光取り出し側の電極が形成されるｐ型窒化物半導体層にｐ型ＧａＮを用いる代わりにＧａＮよりもバンドギャップエネルギの小さいＩｎＧａＮを用いることにより、ｐ型窒化物半導体層とその表面上に形成される電極との間の障壁を低くして良好なオーミック接触を得ようとする方法が開示されている。
また、特許文献２には、電極が形成されるｐ型窒化物半導体層を互いに組成の異なる第１と第２の窒化物半導体層が交互に積層された超格子構造を有する構成とし、上記の第１と第２の２つの窒化物半導体層のうち少なくとも第１の窒化物半導体層にＩｎを含ませることにより駆動電圧を低減する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示された方法では、ｐ型窒化物半導体層とその表面上に形成される電極との間の障壁を低くして良好なオーミック接触を得ることが困難であった。
そこで、たとえば特許文献３〜６には、ｐ型窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体層とトンネル接合を構成するｎ型窒化物半導体層を形成し、そのｎ型窒化物半導体層の表面上に電極を形成する方法が開示されている。
この方法によれば、ｐ型窒化物半導体層の表面上に電極を形成した構造と比べてコンタクト抵抗を小さくすることができ、駆動電圧が低く、大出力駆動が可能となる。
特開平８−９７４６８号公報 特開平１１−３４０５０９号公報 特開２００５−２２９０８５号公報 特開２００５−２６８６０１号公報 特開２００５−２６８７３９号公報 特開２００６−１３５３１１号公報
しかしながら、上記の特許文献３〜６に開示された方法においても未だ光取り出し効率は不十分であり、光取り出し効率のさらなる改善が望まれている。
そこで、本発明の目的は、光取り出し効率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、基板上に基板側から順次積層された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層と、金属層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、第２のｎ型窒化物半導体層の表面上または第２のｎ型窒化物半導体層の表面上方に電極を備えた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、金属層は水素吸蔵合金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は、ｐ型窒化物半導体層と金属層との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを含む半導体層が含まれていてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、金属層と第２のｎ型窒化物半導体層との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを含む半導体層が含まれていてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを含む半導体層は複数の層からなっていてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｐ型窒化物半導体層と金属層との間にｐ型窒化物半導体層および第２のｎ型窒化物半導体層のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層を含んでいてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、金属層と第２のｎ型窒化物半導体層との間にｐ型窒化物半導体層および第２のｎ型窒化物半導体層のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層を含んでいてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第２のｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギが発光層から発光した光の波長に対応するエネルギよりも大きいことが好ましい。
本発明によれば、光取り出し効率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。
（実施の形態１）
図１に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の一例の模式的な断面図を示す。ここで、窒化物半導体発光ダイオード素子は、たとえばサファイア等からなる基板１上に、たとえばＧａＮ等からなるバッファ層２、たとえばｎ型ＧａＮ等からなるｎ型窒化物半導体下地層３、たとえばｎ型ＧａＮ等からなるｎ型窒化物半導体コンタクト層４、たとえばＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層とＧａＮ層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する発光層５、たとえばｐ型ＡｌＧａＮ等からなるｐ型窒化物半導体クラッド層６、たとえばｐ型ＧａＮ等からなるｐ型窒化物半導体コンタクト層７、たとえばＰｄ等からなる金属層２０、およびｎ型ＧａＮ等からなるｎ型窒化物半導体層１１がこの順序で積層された構成を有している。また、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の表面上にはｎ側用パッド電極９が形成されており、ｎ型窒化物半導体層１１の表面上にはｐ側用パッド電極１０が形成されている。
ここで、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７とｎ型窒化物半導体層１１との間に金属層２０が形成されていることに特徴がある。
このように、トンネル接合を形成するｐ型窒化物半導体コンタクト層７とｎ型窒化物半導体層１１との間に金属層２０を形成することによって、表面が荒れる傾向の大きいｐ型窒化物半導体コンタクト層７の表面とｎ型窒化物半導体層１１との接触面積（金属層２０を介した接触面積）が大きくなる。これにより、キャリアの経路が広がるとともにキャリアが金属層２０で拡散することによって、発光層５の表面に広がった状態でキャリアが注入されることになる。
また、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｎ型窒化物半導体層１１の表面上にｐ側用パッド電極１０が形成されていることから、ｐ型窒化物半導体層の表面上に電極を形成した従来の素子構造よりも良好なオーミック接触が得られやすくなる。
さらに、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子においては、発光層５の下地となるｎ型窒化物半導体コンタクト層４の結晶性はたとえば特許文献１に記載されているような発光層の下地となるｐ型窒化物半導体層の結晶性と比べて良好となるため、発光層５の結晶性も良好なものとなり、量子効率の高い高品質な発光層５を得ることができる。
したがって、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子においては、上述した効果の相乗効果によって、電流注入量に対して取り出すことのできる光の量の割合が大きく増大するため、光取り出し効率を飛躍的に向上させることができるのである。
ここで、金属層２０としては水素吸蔵合金を用いることが好ましい。金属層２０が水素吸蔵合金からなり、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７中にｐ型ドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）がドーピングされている場合には、アニール等の処理においてＭｇ原子と結合していた水素がｐ型窒化物半導体コンタクト層７から離脱して金属層２０中に取り込まれやすくなるためｐ型窒化物半導体コンタクト層７のキャリア濃度が増大し、駆動電圧が低減する。これにより、窒化物半導体発光ダイオード素子の温度上昇を抑制することができるため、電流注入量に対して取り出すことのできる光の量の割合が大きく増大し、光取り出し効率をさらに向上させることができる傾向にある。
ここで、金属層２０に用いられる水素吸蔵合金としては、たとえば、Ｍｇ、Ｐｄ（パラジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）またはＬａ（ランタン）等の単体だけでなく、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｔｉ、ＶおよびＬａからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む合金を用いることもできる。
なお、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を発光させるためには、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７とｎ型窒化物半導体層１１との間で逆バイアスで電流が流れる必要があるが、たとえばｐ型窒化物半導体コンタクト層７の金属層２０側のキャリア濃度およびｎ型窒化物半導体層１１の金属層２０側のキャリア濃度を高くすることによって、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７の価電子帯とｎ型窒化物半導体層１１の伝導帯との間でキャリアを空乏層を介して移動させることができる。したがって、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７とｎ型窒化物半導体層１１との間において逆バイアスで電流を流すことができる。
以下、図２〜図６の模式的断面図を参照して、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法の一例について説明する。
まず、基板１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内にセットし、図２に示すように、基板１上に、バッファ層２、ｎ型窒化物半導体下地層３、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４、発光層５、ｐ型窒化物半導体クラッド層６およびｐ型窒化物半導体コンタクト層７をたとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法等によってこの順序で結晶成長させる。
次に、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７の成長後のウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、スパッタ装置若しくは蒸着装置等にセットし、たとえば従来から公知のスパッタ法若しくは蒸着法等によって、図３に示すように、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７の表面上に金属層２０を積層する。
続いて、スパッタ装置若しくは蒸着装置等から、金属層２０の形成後のウエハを取り出し、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置内にセットする。その後、たとえば従来から公知のＭＢＥ法によって、図４に示すように、金属層２０の表面上にｎ型窒化物半導体層１１を成長させる。なお、ここでは、金属層２０の表面上にｎ型窒化物半導体層１１を成長させる方法としてＭＢＥ法を挙げているが、本発明においては、ＭＢＥ法に代えて、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法またはＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法等を用いることもできる。
次いで、ｎ型窒化物半導体層１１の形成後のウエハの一部をエッチング等により除去することによって、図５に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層４の表面を露出させる。
そして、図６に示すように、露出したｎ型窒化物半導体コンタクト層４の表面上にはｎ側用パッド電極９を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体層１１の表面上にｐ側用パッド電極１０を形成する。
その後、ｎ側用パッド電極９およびｐ側用パッド電極１０の形成後のウエハを複数のチップに分割することによって、図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる。
（実施の形態２）
図７に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図７に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７と金属層２０との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントの双方がドーピングされた半導体層２１を含むことに特徴がある。
このように、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７と金属層２０との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントの双方がドーピングされた半導体層２１を含む場合には、ｐ型ドーパントのみがドーピングされた場合と比べて平坦性が増すとともに結晶性が良好となるため、キャリアが発光層５の面内に容易に広がり、光取り出し効率の高い窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる傾向にある。
なお、このような半導体層２１としては、たとえば、ＭＯＣＶＤ装置内に、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＮＨ3（アンモニア）を流すとともに、ドーパントガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）およびＳｉＨ4（モノシラン）を流すことによって成長させたＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層を用いることができる。
その他の説明は実施の形態１と同様である。
（実施の形態３）
図８に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図８に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、金属層２０とｎ型窒化物半導体層１１との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントの双方がドーピングされた半導体層２１を含むことに特徴がある。
このように、金属層２０とｎ型窒化物半導体層１１との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントの双方がドーピングされた半導体層２１を含む場合には、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７とｎ型窒化物半導体層１１との間における電位降下を小さくすることができ、窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧の上昇を抑えることができる傾向にある。その理由は明らかではないが、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントの双方がドーピングされた半導体層２１におけるｐ型不純物準位や欠陥準位などを介して、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７の価電子帯とｎ型窒化物半導体層１１の伝導帯との間でキャリアの移動が起こり、逆バイアスでも電流が流れやすくなるためと推測される。
なお、半導体層２１は、たとえば従来から公知のＭＢＥ法によって金属層２０上に形成することができる。また、半導体層２１は、ＭＢＥ法以外にも、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法またはＰＬＤ法等によっても形成することが可能である。
その他の説明は実施の形態１および実施の形態２と同様である。
（実施の形態４）
図９に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図９に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７と金属層２０との間にｎ型ドーパントがドーピングされた層とｐ型ドーパントがドーピングされた層とが交互に積層された半導体層２２を含むことに特徴がある。
このように、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７と金属層２０との間にｎ型ドーパントがドーピングされた層とｐ型ドーパントがドーピングされた層とが交互に積層された半導体層２２を含む場合には、より結晶性の優れたｎ型窒化物半導体層１１を形成することが可能となるため、キャリアがｎ型窒化物半導体層１１の面内方向に広がることが容易となり、結果として、光取り出し効率の高い窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる傾向にある。
なお、このような半導体層２２としては、たとえば、ｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層とを交互にそれぞれ少なくとも１層以上積層した層等を用いることができる。
その他の説明は実施の形態１〜３と同様である。
（実施の形態５）
図１０に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１０に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、金属層２０とｎ型窒化物半導体層１１との間に、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７およびｎ型窒化物半導体層１１のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層２３を含むことに特徴がある。
このように、金属層２０とｎ型窒化物半導体層１１との間にｐ型窒化物半導体コンタクト層７およびｎ型窒化物半導体層１１のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層２３を含む場合には、より小さな電位差でｐ型窒化物半導体コンタクト層７の価電子帯とｎ型窒化物半導体層１１の伝導帯との間でキャリアを移動させることができる傾向にある。
したがって、この場合には、窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧を低減することができるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の温度上昇を抑制することができ、電流注入量に対して取り出すことができる光の量の割合が増大し、光取り出し効率を向上させることができると推測される。
なお、窒化物半導体層２３は、たとえば従来から公知のＭＢＥ法によって金属層２０上に形成することができる。また、窒化物半導体層２３は、ＭＢＥ法以外にも、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法またはＰＬＤ法等によっても形成することが可能である。
その他の説明は実施の形態１〜４と同様である。
（実施の形態６）
図１１に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７と金属層２０との間に、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７およびｎ型窒化物半導体層１１のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層２３を含むことに特徴がある。
このように、ｐ型窒化物半導体コンタクト層７と金属層２０との間にｐ型窒化物半導体コンタクト層７およびｎ型窒化物半導体層１１のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層２３を含む場合にも、より小さな電位差でｐ型窒化物半導体コンタクト層７の価電子帯とｎ型窒化物半導体層１１の伝導帯との間でキャリアを移動させることができる傾向にある。
したがって、この場合にも、窒化物半導体発光ダイオード素子の駆動電圧を低減することができるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の温度上昇を抑制することができ、電流注入量に対して取り出すことができる光の量の割合が増大し、光取り出し効率を向上させることができると推測される。
その他の説明は実施の形態１〜５と同様である。
（実施の形態７）
図１２に、本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図１２に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、金属層２０上にバンドギャップエネルギが発光層５から発光した光の波長に対応するエネルギよりも大きいｎ型窒化物半導体層１１０を含むことに特徴がある
このように、ｎ型窒化物半導体層１１０のバンドギャップエネルギが発光層５から発光した光の波長に対応するエネルギよりも大きい場合には、発光層５から発光した光がｎ型窒化物半導体層１１０で吸収されにくくなるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率をさらに向上することができると推測される。
なお、ｎ型窒化物半導体層１１０は、たとえば従来から公知のＭＢＥ法によって金属層２０上に形成することができる。また、ｎ型窒化物半導体層１１０は、ＭＢＥ法以外にも、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法またはＰＬＤ法等によっても形成することが可能である。
その他の説明は実施の形態１〜６と同様である。
今回開示された実施の形態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。
本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子や窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子に好適に利用することができる。
本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の一例の模式的な断面図である。 図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法の一例の工程の一部を図解する模式的な断面図である。 図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法の一例の工程の一部を図解する模式的な断面図である。 図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法の一例の工程の一部を図解する模式的な断面図である。 図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法の一例の工程の一部を図解する模式的な断面図である。 図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法の一例の工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。
符号の説明
１ 基板、２ バッファ層、３ ｎ型窒化物半導体下地層、４ ｎ型窒化物半導体コンタクト層、５ 発光層、６ ｐ型窒化物半導体クラッド層、７ ｐ型窒化物半導体コンタクト層、９ ｎ側用パッド電極、１０ ｐ側用パッド電極、１１，１１０ ｎ型窒化物半導体層、２０ 金属層、２１，２２ 半導体層、２３ 窒化物半導体層。

Claims (9)

  1. 基板と、前記基板上に前記基板側から順次積層された、第１のｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層と、金属層と、第２のｎ型窒化物半導体層と、を含み、前記第２のｎ型窒化物半導体層の表面上または前記第２のｎ型窒化物半導体層の表面上方に電極を備えた、窒化物半導体発光素子。
  2. 前記金属層は水素吸蔵合金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。
  3. 前記ｐ型窒化物半導体層と前記金属層との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを含む半導体層が含まれることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記半導体層が複数の層からなることを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記金属層と前記第２のｎ型窒化物半導体層との間にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを含む半導体層が含まれることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 前記半導体層が複数の層からなることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 前記ｐ型窒化物半導体層と前記金属層との間に、前記ｐ型窒化物半導体層および前記第２のｎ型窒化物半導体層のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層を含むことを特徴とする、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。
  8. 前記金属層と前記第２のｎ型窒化物半導体層との間に、前記ｐ型窒化物半導体層および前記第２のｎ型窒化物半導体層のそれぞれよりもバンドギャップの小さい窒化物半導体層を含むことを特徴とする、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。
  9. 前記第２のｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギが前記発光層から発光した光の波長に対応するエネルギよりも大きいことを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
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