JP2009277932A - 窒化物半導体発光ダイオード構造 - Google Patents

Abstract

【課題】特に発光への寄与率の高い、最もｐ層側の井戸層のピエゾ電界を結晶性を悪化させることなく、効率的に低減し、発光効率の高い発光ダイオードを提供する。
【解決手段】基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を有する発光ダイオードにおいて、活性層とｐ型窒化物半導体層の間にＩｎを含む窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード構造に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子に関し、特に、高い発光効率を有する窒化物半導体発光ダイオード素子に関する。

発光ダイオードにおける発光効率低下の一つの原因として、発光層でのピエゾ電界が挙げられる。窒化物半導体層の場合、一般的に発光層として用いられるＩｎＧａＮ層においてＩｎ組成に対するａ軸方向格子定数差が大きいため、ｃ面成長の場合、歪により強いピエゾ電界がかかり、発光に寄与する伝導帯、価電子帯の各基底準位が空間的に分離され、発光効率低下を招く。

特許文献１によれば、活性層は井戸層、障壁層が周期的に積層される多重量子井戸構造からなり、前記井戸層よりもＩｎ組成の小さいＩｎＧａＮ層を障壁層の一部としてＬＥＤに適用することが挙げられており、この構造によれば、ピエゾ電界を小さくすることが可能である。しかしながら、井戸層よりも下地に形成されたＩｎＧａＮ層からなる障壁層はＩｎ組成によっては、結晶性悪化を招き、井戸層での発光効率低下を招く可能性がある。

一方、下記非特許文献１によれば、活性層として多重量子井戸構造を適用した場合、最もｐ型窒化物半導体層側の井戸層からの発光が支配的であると報告されているため、最もｐ型窒化物半導体層側の井戸層のピエゾ電界を小さくすることが発光効率向上につながると考えられる。
特許第３９５１９７３号公報 Ａ Ｄａｖｉｄ．他，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９２， ０５３５０２， ２００８

本発明は、特に発光への寄与率の高い、最もｐ層側の井戸層のピエゾ電界を結晶性を悪化させることなく、効率的に低減し、発光効率の高い発光ダイオードを提供するものである。

本発明は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を有する発光ダイオードにおいて、活性層とｐ型窒化物半導体層の間にＩｎを含む窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード構造である。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は前記活性層中の発光層よりもＩｎ混晶比が小さいことが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記活性層は多重量子井戸構造であり、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は最もｐ型窒化物半導体層側に位置する前記活性層中の発光層よりもＩｎ混晶比が小さいことが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は、前記活性層中で最もｐ型窒化物半導体層側に形成された発光層のｐ型窒化物半導体層側に接して形成させることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層はＩｎＧａＮ層であることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間にＧａＮ層を形成することが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間にＡｌＧａＮ層を形成することが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層はアンドープであることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記ＧａＮ層はアンドープであることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記ＡｌＧａＮ層はアンドープであることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比は３%以上であることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード構造において、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比は５%以上であることが好ましい。

本発明によれば、窒化物半導体発光ダイオード素子などの発光効率を向上させることができる。

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層構成の好ましい一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体発光素子は、基板１上にｎ型窒化物半導体２、活性層３、窒化物半導体層４、ｐ型窒化物半導体層５がこの順序で積層された構成を有している。

＜基板＞
本発明において、基板としてはサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ基板などが選択される。

＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層２はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）から形成され、低温バッファ層、アンドープ層を形成してもよく、ドーパントはＳｉ、Ｇｅなどが選択される。

＜ｐ型窒化物半導体層＞
ｐ型窒化物半導体層５は後述する窒化物半導体層４上に、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）から形成され、ドーパントはＭｇ、Ｚｎなどが選択される。

＜活性層＞
活性層３は図２のようにｎ型窒化物半導体層２上に形成され、井戸層３ａ、障壁層３ｂ、井戸層３ａ、と交互に繰り返した多重量子井戸構造が好ましい。

下述するｐ側井戸層とは複数ある井戸層のうち、最もｐ型窒化物半導体層５側にある井戸層を指す。

本発明の窒化物半導体発光素子の活性層３は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる井戸層３ａと、井戸層３ａよりもＩｎの含有率が低いＩｎ_x3Ｇａ_1-x3Ｎ（０≦ｘ３≦０．２、ｘ１＞ｘ３）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる障壁層３ｂとを含んでいる。

発光層は活性層中にあり、実質的に発光している層を指す。例えば、活性層が多重量子井戸構造である場合は井戸層のことを指す。

＜窒化物半導体層＞
Ｉｎを含む窒化物半導体層は活性層３上に形成され、Ｉｎを含み、Ｉｎ_x4Ｇａ_1-x4Ｎ（０＜ｘ４＜１）の式で表わされる層であれば効率的に前記井戸層３ａの格子定数に近づけることができ、前記井戸層３ａのピエゾ電界を小さくし、発光効率を向上させる点、もしくは組成制御の点で好ましい。

Ｉｎを含む窒化物半導体層は前記井戸層３ａよりもＩｎ組成が小さいことが結晶性確保の点、もしくはこの層で支配的に発光させない点で好ましい。また前記ｐ側井戸層に接してｐ側に形成することが、通常最も支配的に発光すると考えられるｐ側井戸層のピエゾ電界を小さくし、発光効率を向上させる点で好ましい。

また窒化物半導体層４として活性層３側よりＩｎを含む窒化物半導体層層、ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を前記の順に形成することが、その上のｐ型窒化物半導体層５成長時に前記Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎの蒸発を防ぐ点で好ましい。

また窒化物半導体層４はアンドープであることが、動作時のキャリアのリークよる発光効率の低下を防ぐ点で好ましい。

また窒化物半導体層４中のＩｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比３％以上、さらに５％以上であること（測定法：ＴＥＭ法）が前記ｐ側井戸層にかかるピエゾ電界を低減させる点で好ましい。

＜実施例１＞
実施例１においては、図３に示す構成を有する窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。まず、サファイアからなる基板１１を用意し、その基板１１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基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、基板１１の表面（Ｃ面）のクリーニングを行なう。

（ｎ型窒化物半導体層の形成）
次に、基板１１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、基板１１の表面（Ｃ面）上にＧａＮからなるバッファ層をＭＯＣＶＤ法により約２０ｎｍの厚さで積層する。

次いで、基板１１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ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりバッファ層上に６μｍの厚さで積層する。

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型窒化物半導体下地層と同様にして、ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層をＭＯＣＶＤ法によりｎ型窒化物半導体下地層上に０．５μｍの厚さで積層する。

以上、バッファ層、ｎ型窒化物下地層およびｎ型窒化物コンタクト層をｎ型窒化物半導体層１２とする。

（活性層の形成）
次に、基板１１の温度を７００℃に低下し、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（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、ｎ型窒化物半導体コンタクト層上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる井戸層１３ａ（図２）および１０ｎｍの厚さのＧａＮからなる障壁層１３ｂ（図２）をそれぞれ交互に５周期成長させ、さらにその上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる井戸層１３ａを成長させ、多重量子井戸構造からなる活性層１３とする。なお、活性層１３の形成時において、ＧａＮ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。

（窒化物半導体層の形成）
次に、基板１１の温度を７００℃のまま維持し、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（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、活性層１３上にＴＭＧに対するＴＭＩの供給量を変化させる事により任意のＩｎ混晶比のＩｎを含む窒化物半導体層であるＩｎＧａＮ層を５ｎｍの厚さで成長する。このＩｎＧａＮ層の蒸発防止層として、この上にＴＭＩの供給を止め、ＧａＮ層を１０ｎｍの厚さで成長する。尚、これらの層においてドーパントであるシランやＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）などの不純物ガスは流さない。このＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層を窒化物半導体層１４とする。

（ｐ型窒化物半導体層の形成）
次いで、基板１１の温度を９５０℃に上昇させ、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Ａｌ_0.20Ｇａ_0.85Ｎからなるｐ型窒化物半導体クラッド層をＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層１４上に約２０ｎｍの厚さで積層する。

次に、基板１１の温度を９５０℃に保持し、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型窒化物半導体コンタクト層をＭＯＣＶＤ法によりｐ型窒化物半導体クラッド層上に８０nｍの任意の厚さで積層する。

以上、ｐ型窒化物半導体層１５はｐ型窒化物半導体クラッド層、ｐ型窒化物半導体コンタクト層からなる。

次に、基板１の温度を７００℃に低下し、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う。

（透光性電極の形成）
次に、ウェハーを反応炉から取り出し、最上層のｐ型窒化物半導体層１５の表面にＥＢ蒸着によりＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）からなる透光性電極１６を１００ｎｍの厚さで形成した。

（パット電極の形成）
透光性電極１６上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で透光性電極１６側からエッチングを行い、ｎ型窒化物半導体コンタクト層の表面を露出させる。透光性電極１６上及び露出したｎ型窒化物半導体コンタクト層上の所定の位置にＴｉとＡｌを含むパット電極１７、１８をそれぞれ形成した。以上によりＬＥＤ素子とした。

このＬＥＤ素子において、窒化物半導体層１４のＩｎＧａＮ層を形成することにより、比較例１に比べ発光効率を高くすることができる。さらに好ましくはＩｎＧａＮ層の混晶比を３％以上、最も好ましくは５％〜１０％とすることにより、発光効率を高くすることができる。

＜実施例２＞
実施例１に対し、窒化物半導体層１４のＧａＮ層をＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層に変更するほかは同様とした。

このＬＥＤ素子において、ＧａＮ層をＡｌＧａＮ層とした場合でも実施例１と同様に発光効率を高くすることができる。

＜比較例１＞
実施例１に対し、窒化物半導体層１４のＩｎＧａＮ層を除く以外は同様とした。

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。

本発明の窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体層構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 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層構成の好ましい一例の模式的な断面図である。 本発明の実施例、及び比較例における窒化物半導体層構成の好ましい一例の模式的な断面図である。

符号の説明

１，１１ 基板、２，１２ ｎ型窒化物半導体層、３，１３ 活性層、３ａ 井戸層、３ｂ 障壁層、４，１４ 窒化物半導体層、５，１５ ｐ型窒化物半導体層、１６ 透光性電極、１７，１８ パット電極。

Claims (12)

1. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を有する発光ダイオードにおいて、活性層とｐ型窒化物半導体層の間にＩｎを含む窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード構造。
2. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は前記活性層中の発光層よりもＩｎ混晶比が小さいことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
3. 前記活性層は多重量子井戸構造であり、前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は最もｐ型窒化物半導体層側に位置する前記活性層中の発光層よりもＩｎ混晶比が小さい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ダイオード構造。
4. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層は、前記活性層中で最もｐ型窒化物半導体層側に形成された発光層のｐ型窒化物半導体層側に接して形成させることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
5. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層はＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
6. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間にＧａＮ層を形成することを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
7. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間にＡｌＧａＮ層を形成することを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
8. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層はアンドープであることを特徴とする１〜７いずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
9. 前記ＧａＮ層はアンドープであることを特徴とする請求項６または８記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
10. 前記ＡｌＧａＮ層はアンドープであることを特徴とする請求項７または８記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
11. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比は３%以上であることを特徴とする請求項１〜１０いずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。
12. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ混晶比は５%以上であることを特徴とする請求項１１記載の窒化物半導体発光ダイオード構造。

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