JP2010147459A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体素子が提供される。
【解決手段】本発明の一実施の形態は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、量子障壁層と量子井戸層の交互積層構造からなる活性層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層の間に形成され、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層を成す物質より小さな熱膨脹係数を有する物質からなる熱応力緩和層と、前記熱応力緩和層と前記活性層の間に形成され、前記熱応力緩和層よりはバンドギャップエネルギーが小さく、前記量子井戸層よりはバンドギャップエネルギーが大きい物質からなり、上面に形成されたピットを有する第１層と前記第１層と前記活性層との間に前記第１層と異なる物質からなり、前記ピットを埋めるように形成された第２層とを具備する格子応力緩和層と、を含む窒化物半導体素子を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関し、特に、活性層に作用する熱応力と格子応力を緩和することで、発光効率を向上させることができる窒化物半導体素子に関する。

一般に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレー、イメージスキャナー、各種の信号システム及び光通信機器に光源として提供される緑色または青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使用されている。かかる窒化物半導体素子は、電子と正孔の再結合原理を利用して青色及び緑色を含む様々な光を放出する活性層を有する発光素子として提供されることができる。

このような窒化物発光素子が開発されてから、多くの技術的発展に伴い、その活用範囲が拡大され、一般の照明及び電装用光源として多くの研究が行われている。特に、従来の窒化物発光素子は主に低電流／低出力のモバイル製品に適用される部品として使用されてきたが、最近では徐々にその活用範囲が高電流／高出力分野に拡大されている。従って、当技術分野においては、窒化物半導体の結晶品質などを向上させて、発光特性を向上させる方案が要求される。

本発明の一目的は、活性層に作用する熱応力と格子応力を緩和することで、発光効率を向上させることができる窒化物半導体素子を提供することにある。

上記の技術的課題を実現するために、本発明の一実施の形態は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、量子障壁層と量子井戸層の交互積層構造からなる活性層と、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層の間に形成され、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層を成す物質より小さな熱膨脹係数を有する物質からなる熱応力緩和層と、前記熱応力緩和層と前記活性層の間に形成され、前記熱応力緩和層よりはバンドギャップエネルギーが小さく、前記量子井戸層よりはバンドギャップエネルギーが大きい物質からなり、上面に形成されたピットを有する第１層と前記第１層と前記活性層との間に前記第１層と異なる物質からなり、前記ピットを埋めるように形成された第２層とを具備する格子応力緩和層と、を含む窒化物半導体素子を提供する。

本発明の一実施例において、前記熱応力緩和層は、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦０．０１）からなることができる。この場合、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層は、ＧａＮからなることができる。

本発明の一実施例において、前記熱応力緩和層は、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦０．０１）からなる第３層と、前記第３層と前記格子応力緩和層の間に形成され、前記第３層と異なる物質からなる第４層とを具備することができる。この場合、前記第４層はＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０≦ｘ２＜１）からなることができる。

本発明の一実施例において、前記熱応力緩和層の厚さは１００ｎｍ以上であることができる。

本発明の一実施例において、前記第１層はＡｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）からなることができる。この場合、前記第２層はＡｌ_ｘ４Ｉｎ_ｙ４Ｇａ_{（１−ｘ４−ｙ４）}Ｎ（０≦ｘ４＜１、０≦ｙ４＜ｙ３）からなることができる。また、前記第１層のＩｎ含量は前記量子井戸層のＩｎ含量より低いことが好ましい。

本発明の一実施例において、前記ピットは、前記第１層の欠陥領域が除去されて形成されたことであり得る。

本発明の一実施例において、前記第１層の厚さは２０ｎｍ以上であり得る。

本発明によると、活性層に作用する熱応力と格子応力を緩和することで、発光効率を向上させることができる窒化物半導体素子が得られる。

本発明の一実施の形態による窒化物半導体素子を示す断面図である。 図１の構造で熱応力緩和層と格子応力緩和層の周辺の伝導帯域エネルギー準位を模式的に示す図である。 本発明の実施例と従来の比較例によって、ウェハ位置別に波長分布の変化を示したグラフである。 格子応力緩和層の採用可否によってＰＬ強度を測定して示したグラフである。 本発明の他の実施の形態による窒化物半導体素子を示す断面図である。 本発明のまた他の実施の形態による窒化物半導体素子を示す断面図である。 図６の構造を有する垂直構造窒化物半導体素子の発光量及び逆バイアス（ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ）特性を従来と比べたグラフである。 図６の構造を有する垂直構造窒化物半導体素子の発光量及び逆バイアス（ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ）特性を従来と比べたグラフである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。但し、本発明の実施の形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明される実施の形態に限定されるのではない。また、本発明の実施の形態は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張される場合があり、図面上で同一の符号で表示される要素は同一の要素である。

図１は、本発明の一実施の形態による窒化物半導体素子を示す断面図であり、図２は、図１の構造で熱応力緩和層と格子応力緩和層の周辺の伝導帯域エネルギー準位を模式的に示す図である。まず、図１を参照すると、本実施の形態による窒化物半導体素子１００は、基板１０１、ｎ型窒化物半導体層１０２、熱応力緩和層１０３、格子応力緩和層１０４、活性層１０５及びｐ型窒化物半導体層１０６を含む。前記ｎ型窒化物半導体層１０２の露出面上には、ｎ型電極１０７ａが形成され、前記ｐ型窒化物半導体層１０６上面には、ｐ型電極１０７ｂが形成されることができる。この場合、図示してはいないが、前記ｐ型窒化物半導体層１０６とｐ型電極１０７ｂの間には、透明電極物質等からなるオーミックコンタクト層が形成されることができる。一方、本実施の形態では、ｎ型及びｐ型電極１０７ａ、１０７ｂが同一方向を向くように配置された水平型窒化物半導体素子構造を例示したが、本発明はこれに限定されず、後述するように、垂直構造の窒化物半導体素子（この場合、サファイア基板は取り除いても良い）にも適用されることができる。

前記基板１０１は窒化物単結晶成長用基板として提供され、一般的にサファイア基板を使用できる。サファイア基板は、六角‐ロンボ型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体で、ｃ軸及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åであって 、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、前記Ｃ面は比較的に窒化物薄膜の成長が容易であり、高温で安定するので、主に窒化物成長用基板として使用される。もちろん、形態によってはＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２等からなる基板も使用可能であり、さらに、前記基板１０１上に成長する窒化物半導体単結晶の結晶品質向上のためのバッファ層、例えば、アンドープＧａＮ層を成長させることもできる。

前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１０２、１０６は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎの組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有するｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表的に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮからなることができる 。また、前記ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ等を使用することができ、前記ｐ型不純物としては代表的にＭｇ、ＺｎまたはＢｅ等を使用できる。前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１０２、１０６は、当技術分野で公知のＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ工程などにより成長することができる。

前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１０２、１０６の間に形成される活性層１０５は、電子と正孔の再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出する。前記活性層１は、図２のエネルギー準位グラフから分かるように、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸(ＭＱＷ)構造からなることができる。多重量子井戸構造の場合、一般的に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を使用し得る。

前記熱応力緩和層１０３は、その上に成長する窒化物半導体層、特に、活性層１０５に作用する熱膨脹係数（ＣＴＥ）差による応力を減らす役割を果たす。そのために、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１０２、１０６を成す物質より小さな熱膨脹係数を有する物質からなることができる。この場合、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１０２、１０６と活性層１０５のうち量子障壁層がＧａＮからなることを考慮して、前記熱応力緩和層１０３はＡｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦０．０１）からなるようにすることができる。Ａｌが含有された窒化物半導体層の場合、ＧａＮより熱膨脹係数が小さいため、温度変化によるＧａＮの膨脹または収縮程度を緩和することができる。

これをより具体的に説明すると、ＧａＮ薄膜はサファイアのような基板の上に成長する場合、引長応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ）によって厚さが厚くなるほど下方へ凸状に（ｃｏｎｃａｖｅ）撓み、ＧａＮ成長温度より低い温度では逆に圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）によって上方へ凸状に（ｃｏｎｖｅｘ）撓むようになる。本実施の形態のように、ＧａＮ薄膜より低い熱膨脹係数を有する物質からなる熱応力緩和層１０３を採用する場合、活性層１０５の成長過程で引長応力を作用させて、温度変化による影響、即ち、撓みを最小化することができる。このような熱応力緩和機能を果たすために、前記熱応力緩和層１０３の厚さｔ１は、約１００ｎｍ以上であるのが好ましい。一方、図５に図示された垂直構造窒化物半導体素子の場合は、窒化物単結晶成長用基板が取り除かれた後、熱応力緩和層が活性層に対して圧縮応力を作用させることができる。

このような熱応力緩和によって活性層１０５全体から均一な波長の光を発光することができ、さらに、結晶性も向上させることができる。図３は、本発明の実施例と従来の比較例よってウェハ位置別に波長分布の変化を示したグラフである。この場合、サンプル１は、熱応力緩和層及び格子応力緩和層の両方が採用されなかった一般的なＬＥＤ構造であり、サンプル２は、格子応力緩和層のみを採用した構造であり、サンプル３は、図１の構造、即ち、熱応力緩和層及び格子応力緩和層の両方を採用した構造に該当する。量子井戸層を構成するＩｎＧａＮ薄膜の場合、成長面の温度によって組成が異なるので、各地点での発光波長の変化により成長温度での撓みの程度を推定することができる。図３を参照すると、本実施の形態のように熱応力緩和層を採用した場合、窒化物薄膜の撓みが最小化して、全体発光面から均一な光が放出されることを確認できる。

上述したように、前記熱応力緩和層１０３は、活性層１０５に作用する熱応力を緩和することができるが、活性層１０５下部に位置することから、Ａｌを含む物質が採用される場合、格子定数差による応力を発生させ得る。このような問題を低減するために、本実施の形態では、格子応力緩和層１０４を前記熱応力緩和層１０３と活性層１０５の間に形成する。前記格子応力緩和層１０４は、前記熱応力緩和層１０３と前記活性層１０５の格子定数差を緩和するためのもので、そのために、前記熱応力緩和層１０３よりはバンドギャップエネルギーが小さく、前記活性層１０５の量子井戸層よりはバンドギャップエネルギーが大きい物質からなることができる。例えば、活性層１０５との格子定数差が熱応力緩和層１０３の場合より小さいように、前記格子応力緩和層１０４は、Ａｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）で形成することができ、Ｉｎ含量が活性層１０５の量子井戸層におけるＩｎ含量より低いことが好ましい。

この場合、前記格子応力緩和層１０４は、第１層１０４ａ及び第２層１０４ｂに区分できる。前記第１層１０４ａは、上述した格子応力緩和のためにＡｌ_ｘ３Ｉｎ_ｙ３Ｇａ_{（１−ｘ３−ｙ３）}Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）で形成され、格子応力緩和機能を果たすために約２０ｎｍの厚さｔ２に採用されることができる。但し、前記第１層１０４ａの場合、Ｉｎ含量の増加によって貫通転位（Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）周辺部で結晶性が低下し得る問題がある。従って、図１に示すように、前記第１層１０４ａの上面のうち貫通転位のような結晶欠陥領域を取り除いてピットを形成する。ピット形成工程は、前記第１層１０４ａの上面をエッチングして行われることができ、この場合、欠陥領域が優先的に取り除かれてピットが形成されることができる。

このようなエッチングステップは、窒化物半導体の成長過程と連続してインシチュー（ｉｎ‐ｓｉｔｕ）工程により行われることができ、そのために、反応チャンバ内部をＨ_２、Ｎ_２、ＮＨ_３などのガスまたはこれらの組合ガスの雰囲気になるようにすることができる。このようなインシチュー工程によって成長中のエピ構造を反応チャンバ外部に移す必要がないので、工程の効率性を期することができる。一方、前記第１層１０４ａ上には、ピットを埋めるように、これと異なる組成及び優れた結晶性を有する第２層１０４ｂが形成される。例えば、前記第２層１０４ｂは、Ａｌ_ｘ４Ｉｎ_ｙ４Ｇａ_{（１−ｘ４−ｙ４）}Ｎ（０≦ｘ４＜１、０≦ｙ４＜ｙ３）からなることができる。このように、欠陥領域を取り除く代わりに結晶性が優れた第２層１０４ｂを形成することで、漏れ電流の抑制による発光効率の向上を期待することができる。

図４は、格子応力緩和層の採用可否によってＰＬ強度を測定して示したグラフである。ここで、サンプル３は図３のサンプルと等しいものであり、サンプル４は、格子応力緩和層なしに熱応力緩和層のみを採用した構造である。図４に示すように、熱応力緩和層と共に格子応力緩和層を採用した場合、光の転位効率が向上することが確認できる。

図５は、本発明の他の実施の形態による窒化物半導体素子を示す断面図である。本実施の形態による窒化物半導体素子２００は、図１の実施の形態と同様に、基板２０１、ｎ型窒化物半導体層２０２、熱応力緩和層２０３、格子応力緩和層２０４、活性層２０５及びｐ型窒化物半導体層２０６を含み、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の露出面及び前記ｐ型窒化物半導体層２０６上面には、それぞれｎ型電極２０７ａとｐ型電極２０７ｂが形成される。本実施の形態の場合、熱応力緩和層２０３が二つの層に区分されるということから、図１の実施の形態と異なる。即ち、図５に示すように、熱応力緩和層２０３は第３層２０３ａ及び第４層２０３ｂに分けられ、前記第３層２０３ａは図１の実施の形態における熱応力緩和層と同様に、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦０．０１）からなることができる。前記第４層２０３ｂは、第３層２０３ａと異なる物質、例えば、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０≦ｘ２＜１）からなることができる。

前記第４層２０３ｂは、熱応力緩和機能を果たす前記第３層２０３ａと格子応力緩和層２０４との間に配置され、二つの層の間に発生するストレスを緩和することができる。例えば、前記活性層２０５が緑色波長領域の光を放出する構造に製作される場合、格子応力緩和層２０４と熱応力緩和層、即ち、第３層２０３ａとの間には、相対的に大きい応力差が発生し、これによって前記格子応力緩和層２０４の結晶品質が低下し得る。そこで、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ｎ（０≦ｘ２＜１）からなる第４層２０３ｂを前記熱応力緩和層２０３の一部として採用することで、前記格子応力緩和層２０４の結晶品質を維持することができるようになる。

一方、上述した実施の形態では、ｎ型及びｐ型電極が同じ方向を向くように配置された水平型半導体素子構造を例示したが、本発明はこれに限定されず、垂直構造の半導体素子にも適用されることができる。即ち、図６に図示された実施の形態による半導体発光素子３００は、互いに異なる極性の電極が積層方向に並列に位置する垂直電極構造を有し、ｎ型半導体層３０２、熱応力緩和層３０３ａ、３０３ｂ、格子応力緩和層３０４ａ、３０４ｂ、活性層３０５、ｐ型半導体層３０６及び導電性基板３０７を具備する。この場合、半導体単結晶成長用基板は、レーザーリフトオフなどの工程によって取り除かれ、除去工程後のｎ型半導体層３０２の露出面にはｎ型電極３０８が形成される。同じ名称の要素は以前の実施の形態と同じものと理解でき、前記導電性基板３０７に関してだけ説明する。

前記導電性基板３０７は、ｐ型電極の機能と共に、レーザーリフトオフなどの工程で、発光構造物、即ち、ｎ型半導体層３０２、熱応力緩和層３０３ａ、３０３ｂ、格子応力緩和層３０４ａ、３０４ｂ、活性層３０５及びｐ型半導体層３０６を支持する支持体の機能を果たす。この場合、前記導電性基板３０７は、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、Ｔｉ等の物質からなることができ、選択された物質によって、めっきまたはボンディング接合などの方法により形成できる。一方、別途に図示してはいないが、前記ｐ型窒化物半導体層３０６と導電性基板３０７の間には、オーミックコンタクト機能と光反射機能を果たす反射金属層が介在されることができる。

図７及び図８は、それぞれ図６の構造を有する垂直構造窒化物半導体素子の発光量及び逆バイアス（ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ）特性を従来と比べたグラフである。具体的に、本発明による構造は、１ｍｍ×１ｍｍサイズの垂直構造窒化物半導体素子であり、従来技術による構造は、図６の構造から熱応力緩和層及び格子応力緩和層が除外された構造である。まず、図７を参照すると、本発明の場合、従来構造に比べて発光特性が約１２％以上向上することができる。また、図８を参照すると、本発明の場合、従来構造に比べて逆バイアス特性が非常に優れることが分かる。

本発明は、上述した実施の形態及び添付の図面によって限定されず、添付の請求の範囲によって限定される。従って、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で当技術分野における通常の知識を有する者であれば、様々な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属するものである。

１０１：基板
１０２：ｎ型窒化物半導体層
１０３：熱応力緩和層
１０４：格子応力緩和層
１０５：活性層
１０６：ｐ型窒化物半導体層
１０７ａ、１０７ｂ：ｎ型及びｐ型電極
３０７：導電性基板

Claims (11)

1. ｎ型及びｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に形成され、量子障壁層と量子井戸層の交互積層構造からなる活性層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層の間に形成され、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層を成す物質より小さな熱膨脹係数を有する物質からなる熱応力緩和層と、
   上面に形成されたピットを有する第１層、及び前記第１層と異なる物質からなり、前記第１層と前記活性層との間に前記ピットを埋めるように形成された第２層を具備し、前記第１層及び前記第２層は、前記熱応力緩和層と前記活性層の間に形成され、前記熱応力緩和層より小さく、かつ前記量子井戸層よりが大きいバンドギャップエネルギーの物質からなる格子応力緩和層と、を含む窒化物半導体素子。
2. 前記熱応力緩和層は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦０．０１）からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記熱応力緩和層は、Ａｌｘ１Ｉｎｙ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦０．０１）からなる第３層と、前記第３層と前記格子応力緩和層の間に形成され、前記第３層と異なる物質からなる第４層とを具備することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記第４層はＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎ（０≦ｘ２＜１）からなることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記熱応力緩和層の厚さは１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記第１層はＡｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ（１−ｘ３−ｙ３）Ｎ（０≦ｘ３＜１、０＜ｙ３＜１）からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記第２層はＡｌｘ４Ｉｎｙ４Ｇａ（１−ｘ４−ｙ４）Ｎ（０≦ｘ４＜１、０≦ｙ４＜ｙ３）からなることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
9. 前記第１層のＩｎ含量は前記量子井戸層のＩｎ含量より低いことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
10. 前記ピットは、前記第１層の欠陥領域が除去されて形成されたことを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の窒化物半導体素子。
11. 前記第１層の厚さは２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の窒化物半導体素子。

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