JP2009218235A

JP2009218235A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2009218235A
Application number: JP2008057012A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Ito; 範和伊藤; 真也 ▲高▼堂; Masaya Takado; Toshio Nishida; 敏夫西田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】発光効率の高い発光ダイオードを提供する。
【解決手段】基板１０と、基板１０上に設けられたｎ型の第１半導体層２０と、第１半導体層２０上に設けられた活性層３０と、活性層３０の直上に接して設けられ、真性半導体であるバリア層４２と、バリア層４２上に設けられ、ｎ型のキャリアである電子が第１半導体層２０から活性層３０を超えて拡散するのを阻止するキャリアブロック層４４と、キャリアブロック層４４上に設けられたｐ型の第２半導体層５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、特に窒化物半導体の発光ダイオードに関する。

従来より発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光デバイスの材料として、窒化物半導体は注目されている。従来のダブルへテロ構造のＬＥＤとしては、例えば、サファイア等の基板と、基板上に設けられた窒化ガリウム（ＧａＮ）のｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に設けられた窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）の活性層と、活性層上に設けられた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ型電子ブロック層と、ｐ型電子ブロック層上に設けられたＡｌＧａＮのｐ型コンタクト層とを備えるものがある。ＬＤも基本的にはＬＥＤと同様の構造を有し得る。しかしながら、特にＬＤの場合は、光とキャリアとを別々に閉じこめる分離閉じ込め型構造が用いられることが多い（例えば、特許文献１，２参照）。

上述した従来のＬＥＤにおいて、活性層の直上に接して配置されたｐ型電子ブロック層は、ｎ型領域から活性層を超えてｐ型領域に注入される電子を阻止することを目的として配置されている。ｐ型電子ブロック層を活性層の直上に接して配置するためには、活性層を形成した後にｐ型電子ブロック層を形成しなければならない。ｐ型電子ブロック層を含むｐ型領域の形成方法としては、活性層の形成温度よりも２００〜３００℃程度高温で、３０〜９０分程度の時間を要してエピタキシャル成長させる。

しかしながら、活性層の直上に接してｐ型領域を形成することにより、ｐ型電子ブロック層にドープしたＭｇが活性層に拡散して発光効率を低下させる原因となってしまっている。また、Ｍｇが活性層に拡散しない場合でも、活性層内に閉じ込められたキャリアが隣接して配置されたｐ型電子ブロック層のディープレベルにトラップされて非発光再結合をすることで発光効率が低下してしまうという問題もある。
特開平９−１４８６７８号公報特開２００２−３７４０４４号公報

本発明は、発光効率の高い発光ダイオードを提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、基板と、基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に設けられた活性層と、活性層の直上に接して設けられ、真性半導体であるバリア層と、バリア層上に設けられ、第１導電型のキャリアが第１半導体層から活性層を超えて拡散するのを阻止するキャリアブロック層と、キャリアブロック層上に設けられた第２導電型の第２半導体層とを備える発光ダイオードであることを要旨とする。

本発明によれば、発光効率の高い発光ダイオードを提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る発光ダイオードは、図１に示すように、基板１０と、基板１０上に設けられたｎ型（第１導電型）の第１半導体層２０と、第１半導体層２０上に設けられた活性層３０と、活性層３０の直上に接して設けられ、真性半導体であるバリア層４２と、バリア層４２上に設けられ、ｎ型のキャリアである電子が第１半導体層２０から活性層３０を超えて拡散するのを阻止するキャリアブロック層４４と、キャリアブロック層４４上に設けられたｐ型（第２導電型）の第２半導体層５０とを備える。実施の形態に係る発光ダイオードは、更に、第１半導体層２０に電圧を印加する第１電極（カソード電極）６０と、第２半導体層５０に電圧を印加する第２電極（アノード電極）６２を備える。

基板１０は、基板１０上にエピタキシャル成長させる第１半導体層２０、活性層３０及び第２半導体層５０等の半導体層をエピタキシャル成長させるための機械的支持基板としての機能を有する。基板１０としては、エピタキシャル成長させる半導体層を欠陥のない晶癖で形成することができるものであればよく、例えば、サファイヤ基板及びＧａＮ基板等を用いることができる。

第１半導体層２０は、活性層３０に電子を拡散させる機能を有し、例えば、ｎ型のドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ型ＧａＮ層等の窒化物半導体で形成される。第１半導体層２０は、一部領域がメサエッチングにより露出され、露出された箇所に第１電極６０が配置されている。

活性層３０は、図２に示すように、例えば、井戸層３２を井戸層３２よりもバンドギャップの大きな障壁層３４でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸(quantum well)構造を採用可能である。なお、図２で示した量子井戸構造は、井戸層３２が多重化された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であるが、井戸層３２が多重化してなく１つの単一量子井戸構造（ＳＱＷ）であってもよい。ＭＱＷである活性層３０は、井戸層３２としてのＩｎＧａＮと障壁層３４としてのＩｎＧａＮとが交互に２〜４ペア積層された構造とすることができる。

バリア層４２は、キャリアブロック層４４にドープするマグネシウム（Ｍｇ）が活性層３０へ拡散するのを防ぐ機能を有する。バリア層４２は、活性層３０の井戸層３２よりもバンドキャップが大きく、不純物をドープしていない真性半導体が用いられる。バリア層４２としては、例えば、ＡｌＧａＮを用いることができる。バリア層４２にＡｌＧａＮを用いた場合のアルミニウムの組成は、５〜２０％であることが好ましい。バリア層４２の膜厚は、５０〜５００オングストロームとすることが好ましい。バリア層４２の膜厚は、上記の範囲以下であるとＭｇの拡散を防ぐことができなくなり、上記の範囲以上であると活性層３０と第２半導体層５０との距離が遠くなって第２半導体層５０から活性層３０に正孔が届かなくなってしまうからである。

キャリアブロック層４４は、第１半導体層２０から電子が活性層３０を通り抜けて第２半導体層５０まで到達するのを防ぐものである。電子が第２半導体層５０まで到達すると、電子は第２半導体層５０での欠陥準位に補捉されて、第２半導体層５０の結晶に過剰にエネルギーが与えられて欠陥の増殖を招いてしまうので好ましくない。キャリアブロック層４４は、活性層３０の井戸層３２よりもバンドキャップが大きく、例えば、ｐ型のドーパントとしてＭｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層等の窒化物半導体で形成される。

バリア層４２とキャリアブロック層４４でなるブロック層４０の膜厚は、２００〜１０００オングストロームであることが好ましい。ブロック層４０の膜厚は、上記の範囲以下であるとバリア層４２及びキャリアブロック層４４の機能を有さなくなり、上記の範囲以上であると活性層３０と第２半導体層５０との距離が遠くなって第２半導体層５０から活性層３０に正孔が届かなくなってしまうからである。

第２半導体層５０は、活性層３０に正孔を拡散させる機能を有し、例えば、ｐ型のドーパントとしてＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層等により形成されるからなる。

第１電極６０は、例えばＡｌ等の金属からなり、第２電極６２は、例えばパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金からなる。第２電極６２と第２半導体層５０の間には、活性層３０から発せられる光を透過可能なＺｎＯ及びニッケル（Ｎｉ）−Ａｕ合金等からなる透明電極６１が設けられる。透明電極６１は、第２半導体層５０とオーミック接続されるとともに、活性層３０等の水平方向（積層方向と直交する方向）の全領域に均一に電流を流すために第２半導体層３０上の略全面を覆うように形成されている。第２電極６２は、第２半導体層５０側から光を取り出すことを考慮すると面積が小さい方が好ましい。そして、第１電極６０は第１半導体層２０に、オーミック接続される。なお、第１半導体層２０と第１電極６０の間に、第１導電型のコンタクト層を配置してもよい。

以下に、実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を説明する。

まず、ＧａＮの単結晶からなり、約３００μｍの厚みの基板１０を用意する。そして、用意した基板１０の表面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、第１半導体層２０、活性層３０及び第２半導体層５０等の半導体層をエピタキシャル成長させていく。具体的には、基板１０をＭＯＣＶＤ装置（図示略）の処理室に導入し、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〜常圧になるように、処理室内の雰囲気が排気されている。

次に、キャリアガスによりアンモニアガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス及びシランを処理室に供給して、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮ層からなる第１半導体層２０を基板１０の表面にエピタキシャル成長させる。

次に、基板１０の温度を約７００℃〜約８００℃に設定した後、第１半導体層２０上に活性層３０を形成する。具体的には、キャリアガスによりアンモニアガス及びＴＭＧガスを処理室内に供給して、ノンドープのＧａＮ層からなる障壁層３４をエピタキシャル成長させる。また、基板１０を同じ温度に保った状態で、キャリアガスによってアンモニアガス、ＴＭＧガス、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス及びシランガスを供給して、シリコンがドープされたｎ型ＡｌＧａＮ層からなる井戸層３２をエピタキシャル成長させる。そして、上述した方法により障壁層３４及び井戸層３２を所望の回数交互に形成することによって、活性層３０を形成する。

次に、キャリアガスによってアンモニアガス、ＴＭＧガス及びＴＭＡガスを処理室に供給して、活性層３０上に真性半導体であるＡｌＧａＮ層からなるバリア層４２を成長させる。そして、基板１０の温度を約１０００℃〜約１１００℃まで昇温した後、キャリアガスによりアンモニアガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）ガス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層からなるキャリアブロック層４４をバリア層４２上にエピタキシャル成長させる。

次に、基板１０の温度を約１０００℃〜約１１００℃に保った状態で、キャリアガスによりアンモニアガス、ＴＭＧガス及びＣｐ₂Ｍｇガスを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層からなる第２半導体層５０をキャリアブロック層４４上にエピタキシャル成長させる。

次に、第２半導体層５０上にレジストを所望のパターンに形成して、第１半導体層２０、活性層３０及び第２半導体層５０をエッチングすることにより、第１半導体層２０の一部領域がメサエッチングされて電極面が露出する。そして、露出された電極面において、抵抗加熱法または電子ビーム法等の真空蒸着法によりＴｉ層及びＡｌ層を順に積層して第１電極６０を形成する。また、第２半導体層５０上には、Ａｌよりなる第２電極６２を形成する。

本発明の実施の形態に係る発光ダイオードによれば、活性層３０の直上に接している真性半導体であるバリア層４２は、キャリアブロック層４４にドープしたＭｇが活性層に拡散することを防ぐことができる。Ｍｇが活性層に拡散することがなくなるので、活性層３０の発光効率を良好に保ったままｐ型領域を成長させることができる。活性層３０の発光効率が低下することなくｐ型領域を成長させるので、発光ダイオードの発光効率は高く維持されたままにすることができる。

更に、実施の形態に係る発光ダイオードによれば、活性層３０の直上に接している真性半導体であるバリア層４２があるので、活性層３０内に閉じ込められたキャリアがキャリアブロック層４４に拡散するのを防ぐことができる。活性層３０内に閉じ込められたキャリアがキャリアブロック層４４に拡散しないので、活性層３０内のキャリアがキャリアブロック層４４のディープレベルにトラップされて非発光再結合をすることがなくなる。非発光再結合がなくなることによって、発光ダイオードの発光効率の低下を防ぐことができる。

更に、実施の形態に係る発光ダイオードによれば、リーク電流増大の原因となるＭｇの拡散を制御することができるので、優れた電気特性を有し、発光ダイオードの品質に対する信頼性の向上に繋がる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、実施の形態において活性層３０は、ノンドープのＧａＮ層からなる障壁層３４と、Ｓｉがドープされたｎ型ＩｎＧａＮ層からなる井戸層３２とによって構成されていると記載したが、障壁層３４と井戸層３２がどちらもノンドープであっても構わない。また、障壁層３４と井戸層３２がどちらもドープされていても構わない。更に、ＳｉがドープされたＧａＮ層からなる障壁層３４と、ノンドープのｎ型ＩｎＧａＮ層からなる井戸層３２であっても構わないし、ノンドープのＧａＮ層からなる障壁層３４と、ノンドープのｎ型ＩｎＧａＮ層からなる井戸層３２であっても構わない。つまり、活性層３０の障壁層３４と井戸層３２の組み合わせは、実施の形態に記載されたものに限定されない。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの模式図である。本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの活性層の断面図である。

符号の説明

１０…基板
２０…第１半導体層
３０…活性層
３２…井戸層
３４…障壁層
４０…ブロック層
４２…バリア層
４４…キャリアブロック層
５０…第２半導体層
６０…第１電極
６１…透明電極
６２…第２電極

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた活性層と、
前記活性層の直上に接して設けられ、真性半導体であるバリア層と、
前記バリア層上に設けられ、第１導電型のキャリアが前記第１半導体層から前記活性層を超えて拡散するのを阻止するキャリアブロック層と、
前記キャリアブロック層上に設けられた第２導電型の第２半導体層
とを備えることを特徴とする発光ダイオード。
前記バリア層は、窒化アルミニウムガリウムであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
前記バリア層のアルミニウムの組成は、５〜２０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
前記バリア層の膜厚は、５０〜５００オングストロームであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオード。
前記バリア層と前記キャリアブロック層でなるブロック層の膜厚は、２００〜１０００オングストロームであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード。