JP2011035042A

JP2011035042A - 発光素子

Info

Publication number: JP2011035042A
Application number: JP2009177633A
Authority: JP
Inventors: Takanori Yasuda; 隆則安田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】発光のバラツキを抑えた発光素子を提供する。
【解決手段】
本発明の発光素子は、一導電型を示す第１半導体層２ａと、第１半導体層２ａ上に設けられた活性層２ｂと、活性層２ｂ上に設けられ、逆導電型を示し、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなる第２半導体層２ｃと、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、平面透視した状態で、活性層２ｂと少なくとも一部が重なるように設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有するＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなる第３半導体層３と、第１半導体層２ａに設けられた第１電極４と、第２半導体層２ｃの主面２Ａに設けられた第２電極５と、を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、発光のバラツキを抑えた発光素子に関するものである。

現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。特に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を有する発光素子は、半導体層の電気抵抗値が高いことから、半導体層の横方向に電流を拡散させにくかった（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−３４０１３１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ｐ型半導体層の横方向に電流拡散しにくいため、活性層で発光する光にバラツキが生じていた。

本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、横方向への電流拡散が大きい発光素子を提供することを目的とする。

本発明にかかる発光素子は、一導電型を示す第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、前記活性層上に設けられ、逆導電型を示し、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなる第２半導体層と、前記第２半導体層の主面に、平面透視した状態で、前記活性層と少なくとも一部が重なるように設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有するＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなる第３半導体層と、前記第１半導体層に設けられた第１電極と、前記第２半導体層の前記主面に設けられた第２電極と、を有する。

本発明の発光素子によれば、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなる第２半導体層の主面に、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有するＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなる第３半導体層と、第２電極と、を有することにより、横方向へ電流拡散を大きくすることができる。

本発明の実施形態にかかる発光素子の模式的な斜視図である。図１に示す発光素子の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。本発明の原理を説明する模式的なエネルギーバンド図である。本発明のその他の実施形態にかかる発光素子の模式的な断面図である。本発明のその他の実施形態にかかる発光素子の模式的な断面図である。

以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。

本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。

図１は本実施形態に係る発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。

本発明にかかる発光素子２０は、図２に示すように基板１、半導体層２、第３半導体層３、第１電極４、第２電極５を有している。

基板１は、半導体層２を成長させることが可能な基材であればよい。具体的に、基板１としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）などが挙げられる。基板１の厚みとしては、１００〜１０００μｍ程度である。基板１上における半導体層２の成長方法および半導体層２上の第３半導体層３の成長方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（Pulse Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などが用いられる。なお、半導体層２のいずれかの層を順次成長させる工程の間に、基板１の一部ないし全部を従来のエッチング手法で除去する工程を経てもよい。その場合、半導体層２の活性層２ｂで発光した光を、基板１を除去した半導体層２の面からも効率よく取出すことができる。

半導体層２は、基板１上に形成され、第１半導体層２ａと活性層２ｂと第２半導体層２ｃとから構成されている。第１半導体層２ａおよび活性層２ｂとしては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。具体的なＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐（ＧａＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡs)、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを例示することができる。第２半導体層２ｃとしてはＩＩＩ族窒化物半導体を用いることができる。具体的なＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などを例示することができ、化学式で例示するとＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。

また、半導体層２は、一導電型としてｎ型半導体の性質を示す第１半導体層２ａと、活性層２ｂと、逆導電型としてｐ型半導体の性質を示す第２半導体層２ｃとが、順次基板１上に形成された積層構造を有している。本実施形態において、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｃはＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮにより形成されている。

ＧａＮからなる第１半導体層２ａをｎ型ＧａＮとするには、例えば元素周期律表においてＩＶ族の元素であるシリコン（Ｓｉ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第１半導体層２ａの厚みは、例えば２〜３μｍである。また、ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮの第２半導体層２ｃをｐ型ＧａＮとするには、例えば元素周期律表においてＩＩ族の元素であるマグネシウム（Ｍｇ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。なお、第２半導体層２ｃの厚みは、例えば２００〜５００ｎｍである。

活性層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。活性層２ｂは、禁制帯幅の広い活性層側障壁層と禁制帯幅の狭い活性層側井戸層（図示せず）とからなる量子井戸構造が複数回（例えば、２〜１０回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前述の活性層側障壁層としては、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などが例示できる。また、前述の活性層側井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などが例示できる。この場合、活性層側障壁層の厚みは例えば５〜１５ｎｍ、活性層側井戸層の厚みは例えば２〜１０ｎｍに設定でき、活性層２ｂ全体の厚みは例えば２５〜１５０ｎｍである。

このような半導体層２の第１半導体層２ａには第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極４が設けられ、第２半導体層２ｃの主面２Ａには第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極５が設けられている。

第１電極４および第２電極５としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金、金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金、金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金、金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金などの薄膜を好適に用いることができる。また、第１電極４および第２電極５は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。また、例えば第１電極４に金（Ａｕ）を用いた場合には、第１電極４と第１半導体層２ａとの間にオーミックコンタクト層としてアルミニウム（Ａｌ）を間に介在させたチタン（Ｔｉ）を設けることができる。さらに、第２電極５に金（Ａｕ）を用いた場合には、第２電極５と第２半導体層２ｃとの間にオーミックコンタクト層としてニッケル（Ｎｉ)を設けることができる。なお、第１電極４は、基板１が導電性を有する場合、基板１の裏面側に設けてもよい。

さらに、第２半導体層２ｃの主面２Ａには、第３半導体層３が形成されている。このような第３半導体層３は、第２半導体層２ｃを平面透視した状態で、活性層２ｂと少なくとも一部が重なるように設けられる。

第３半導体層３は、そのバンドギャップが第２半導体層２ｃのバンドギャップよりも大きくなるように、材料選定される。例えば、第２半導体層２ｃをＧａＮで形成した場合、第３半導体層３は、ＧａＮよりバンドギャップの大きいＡｌＧａＮを用いることができる。ＡｌをＧａＮにドープしたＡｌＧａＮは、ＧａＮより格子定数が小さくなり、ＧａＮより大きなバンドギャップをもつようになるからである。

このようにＧａＮからなる第２半導体層２ｃ上にＧａＮより大きなバンドギャップを有するＡｌＧａＮからなる第３半導体層３を形成することから、第２半導体層２ｃと第３半導体層３との接合面近傍において、第２半導体層２ｃの主面２Ａと略平行な２次元方向に正孔ガスのチャネルが形成される。この原理を図３を用いて説明する。

図３（ａ）は、ＧａＮからなる第２半導体層２ｃの主面２Ａに、ＡｌＧａＮからなる第３半導体層３が形成された熱非平衡状態のエネルギーバンド図を示す。図３（ｂ）は、熱平衡状態となった状態のエネルギーバンド図を指す。なお、図３のエネルギーバンド図は第２半導体層２ｃと第３半導体層３の価電子帯１３、フェルミ準位８、伝導帯１２を模式的に表した図である。このように第２半導体層２ｃと、第２半導体層２ｃよりバンドギャップの大きな第３半導体層３とが接するように形成されることにより、第２半導体層２ｃのエネルギーバンドと第３半導体層３のエネルギーバンドとの接合面近傍のエネルギーバンドが歪む。このようなエネルギーバンドの歪みは、第２半導体層２ｃのエネルギーバンドと第３半導体層３のエネルギーバンドとの不連続性と、第２半導体層２ｃの格子定数と第３半導体層３の格子定数との差から生じる結晶の歪みによるピエゾ電界と、によるものである。このようなエネルギーバンドの歪みにより、第２半導体層２ｃと第３半導体層３との接合面近傍にエネルギーバンドの溝９が形成され、このエネルギーバンドの溝９に正孔ガスが蓄積されて、チャネルが形成される。

このチャネルにより、第２半導体層２ｃと第３半導体層３との接合面近傍での正孔の移動度を向上させることができる。その結果、第２電極５から流れる電流が第２半導体層２ｃの横方向にも電流拡散しやすくなり、平面透視して、第２半導体層２ｃと第３半導体層３との接合面近傍すなわちチャネルと重なる部分の活性層２ｂで発光した光のバラツキを抑えることができる。

このように第２半導体層２ｃと第３半導体層３との接合面近傍にチャネルを形成するためには、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、第２半導体層２ｃより大きなバンドギャップを有する第３半導体層３を形成すればよい。

上述の説明では、第２半導体層２ｃをＧａＮとし、第３半導体層３をＡｌＧａＮとしたが、これに限られるものではなくＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体同士で第２半導体層２ｃより第３半導体層３のバンドギャップを大きくすればよい。ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体は、Ａｌの組成比を増やすか、Ｉｎの組成比を減らすことによりバンドギャップを大きくすることができる。具体的には、第２半導体層２ｃがＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）により形成されている場合、第３半導体層３は第２半導体層２ｃより大きなバンドギャップを有するＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１、ｘ２＞ｘ１、ｙ１＞ｙ２）により形成することができる。例えば、第２半導体層２ｃとしてｘ１＝０．１、ｙ１＝０．３としたＡｌ_０．１Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．３Ｎを用いた場合には、第３半導体層３としてｘ２＞ｘ１となるｘ２＝０．２かつｙ１＞ｙ２となるｙ２＝０．１としたＡｌ_０．２Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．１Ｎを用いることができる。

このような第３半導体層３の厚みは、２〜８０ｎｍに設定される。より好ましくは、第３半導体層３の厚みを２０〜５０ｎｍに設定することにより、十分なチャネルを形成するとともに、活性層２ｂで発光した光が第３半導体層３によって吸収されることを少なくすることができる。なお、第３半導体層３の好適な膜厚は、第３半導体層３の組成と、第２半導体層２ｃと第３半導体層３との接合面でエネルギーバンドが歪む第３半導体層３の臨界膜厚と、により決めることができる。例えば、第２半導体層２ｃがＧａＮで形成され、第３半導体層３がＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎで形成されている場合、第３半導体層３の膜厚は４０ｎｍに設定することができる。

また第３半導体層３は、第２半導体層２ｃの電気抵抗値よりも大きくすることが好ましい。このような第３半導体層３は、第３半導体層３に対し、導電型を付与するための不純物をドープしない、いわゆる真性半導体などを用いることができる。このように、第３半導体層３の電気抵抗値を第２半導体層２ｃより大きくすることによって、チャネルに流れる電流を第２半導体層２ｃへ流れやすくすることができる。

さらに、第３半導体層３は、第２半導体層２ｃの主面２Ａに形成することが好ましい。本実施形態のように、第２半導体層２ｃがｐ型半導体の性質を有している場合、ｎ型半導体の性質を有する第２半導体層２ａと比較して、第２半導体層２ｃは第２半導体層２ａより大きい電気抵抗値を持つ。そのため、第３半導体層３を第２半導体層２ｃに形成することにより、第２半導体層２ａに第３半導体層３を形成した場合と比較して、横方向への電流拡散をより多くすることができる。

また、第２電極５は第３半導体層３と第２半導体層２ｃの主面２Ａで接する部分を有するように形成することが好ましい。このように、第２電極５と第３半導体層３とが、第２半導体層２ｃの主面２Ａで接する部分を有することから、第２電極５から流れる電流を電気抵抗値の低いチャネルに流れやすくすることができる。

本実施形態は、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、第３半導体層３と、第２電極５とを併設しているため、第２電極５を第３半導体層３上に設けた場合と比較して、活性層２ｂで発光した光が第２電極５で吸収されにくい。さらに、第３半導体層３に電気抵抗値が大きい真性半導体を用いた場合でも、本実施形態は従来の発光素子と同じ発光輝度を維持しつつ、電力の増加を招きにくい。

また、第３半導体層３を第２半導体層２ｃの厚み方向に１層以上介在させた場合には、第２半導体層２ｃと第３半導体層３上面との接合面近傍にかかるピエゾ電界と、第２半導体層２ｃと第３半導体層３下面との接合面近傍にかかるピエゾ電界と、が打ち消し合いやすくなりチャネルが形成されにくくなる。これに対し本実施形態は、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、第３半導体層３と、第２電極５とを有するため、第２半導体層２ｃの厚み方向に介在させた場合と比較してチャネルを形成しやすい。

なお、半導体層２および第３半導体層３が形成された状態は、例えば、ダイナミック二次イオン質量分析法（Ｄ−ＳＩＭＳ）を用いて、半導体層２の積層方向に対する元素分析をすることにより確認することができる。具体的には、測定の際に発光素子２０に照射する一次イオン源として、ガリウム（Ｇａ）および窒素（Ｎ）の場合は酸素イオン（Ｏ^２＋）やセシウムイオン（Ｃｓ^＋）、マグネシウム（Ｍｇ）の場合は酸素イオン（Ｏ^２＋）、シリコン（Ｓｉ）の場合はセシウムイオン（Ｃｓ^＋）を用いることができる。また、一次イオンの照射方向は、検出器などの配置等によっても変わるが、例えば第２半導体層２ｃの主面２Ａに対して６０°方向に設定することができる。さらに、装置による測定結果の違いは、標準試料を用いて補正してもよい。例えば、第３半導体層３は導電型を決める不純物をドープしていないため、Ｍｇの量をＤ−ＳＩＭＳで測定することにより、第３半導体層３が第２半導体層２ｃに形成されていることを確認することができる。例えば、第３半導体層３を製造する際に、第２半導体層２ｃと第３半導体層３との間に、第２半導体層２ｃまたは第３半導体層３を構成する主成分量に対してその他の成分量が増加するなどして形成された層が数ｎｍ程度、存在することもあるが、この場合でもチャネルが形成されることから上述の効果を有するものである。

さらに、発光素子２０をシリコーン樹脂により封止してもよい。シリコーン樹脂は、例えば屈折率１．４〜１．７のものを用いることができる。また、活性層２ｂが３００〜５００ｎｍの波長の光を発光する場合、このようなシリコーン樹脂の中に蛍光体や燐光体を混ぜて活性層２ｂからの光を白色光に変換してもよい。

（変形例１）
図４は上述した実施形態にかかる発光素子２０の変形例を示す断面図である。この変形例にかかる発光素子２０は、第２半導体層２ｃは、第１領域１０と、第１領域１０よりも高い電気抵抗値を有する第２領域１１と、を含み、第２領域１１は、第２半導体層２ｃの厚み方向において、第１領域１０よりも第２電極５に近い側に設けられている。このような第２領域１１を第２半導体層２ｃに設ける方法としては、第２領域１１を設ける第２半導体層２ｃにＡｒをプラズマ照射する方法がある。他の方法としては、第２領域１１を設ける第２半導体層２ｃをエッチングした後、スパッタによりＳｉＯ_２で第２領域１１を設ける方法や第２領域１１を設ける第２半導体層２ｃにＳｉイオンを注入してｎ型半導体の性質を付与する方法などを用いることができる。図４に示すように第２電極５と接する第２領域１１の電気抵抗値を第２半導体層２ｃの第１領域１０より高くすることによって、第２電極５から流れる電流を第２半導体層２ｃの横方向へ拡散することができ、より多くの電流をチャネルに流すことができる。

（変形例２）
図５は上述した実施形態にかかる発光素子２０の変形例を示す断面図である。この変形例にかかる発光素子２０は、第３半導体層３の厚み方向に対する側面と第２半導体層２ｃの厚み方向に対する側面とが面一になる部分を有するように第３半導体層３を第２半導体層２ｃの主面２Ａに形成している。また、このように第２半導体層２ｃと第３半導体層３とが面一になった側面には第２電極５が形成されている。このように第２電極５が発光素子２０の厚み方向に対して側面に形成されていることから、活性層２ｂで発光した光を半導体層２の積層方向に取出す際に、第２半導体層２ｃの横方向への電流拡散を多くしつつ、第２電極５による光の吸収を招きにくくすることができる。また、このように第２電極５を配置することにより、第３半導体層３を第２半導体層２ｃの主面２Ａの全面に形成することができる。なお、第２電極５を第３半導体層３、半導体層２、基板１の側面に設けてもよい。その場合、第２電極５から第１半導体層２ａと活性層２ｂに電流が流れにくくなるように、第２電極５と半導体層２との間に絶縁層を設けてもよい。

１基板
２半導体層
２ａ第１半導体層
２ｂ活性層
２ｃ第２半導体層
３第３半導体層
４第１電極
５第２電極
８フェルミ準位
９溝
１０第１領域
１１第２領域
１２伝導帯
１３価電子帯
２０発光素子

Claims

一導電型を示す第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、
前記活性層上に設けられ、逆導電型を示し、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなる第２半導体層と、
前記第２半導体層の主面に、平面透視した状態で、前記活性層と少なくとも一部が重なるように設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有するＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなる第３半導体層と、
前記第１半導体層に設けられた第１電極と、前記第２半導体層の前記主面に設けられた第２電極と、を備えた発光素子。
前記第２電極と前記第３半導体層とが、前記第２半導体層の前記主面で接する部分を有する請求項１に記載の発光素子。
前記第２半導体層は、第１領域と、前記第１領域よりも高い電気抵抗値を有する第２領域と、を含み、
前記第２領域は、前記第２半導体層の厚み方向において、前記第１領域よりも前記第２電極に近い側に設けられている請求項１または２に記載の発光素子。