JP2011035156A

JP2011035156A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2011035156A
Application number: JP2009179738A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakamura; 亮中村; Toru Sugafuji; 徹菅藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】ＭＱＷ構造の発光層におけるキャップ層でのキャリアロスを低減することで発光効率を向上させること。
【解決手段】発光素子１の発光層１３は、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３１、ＧａＮからなるキャップ層１３２、ＡｌＧａＮからなる障壁層１３３が順に３〜５回繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。キャップ層１３２の厚さは、１〜４分子層の範囲とする。キャップ層１３２の厚さをこのようにすると、キャップ層１３２でのキャリアロスが低減され、発光効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものであり、特にＭＱＷ層の形成方法に特徴を有するものである。

III 族窒化物半導体発光素子の発光層として、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造が従来より知られている。このような発光層において良好な結晶性を得るために、障壁層の成長温度は井戸層の成長温度よりも高くする必要がある。しかし、障壁層形成時に温度を上げることで井戸層のＩｎが離脱してしまい、結晶性を悪化させてしまう。

そこで、井戸層と障壁層の間に、井戸層の成長温度と同じ成長温度で形成されるＧａＮからなるキャップ層を設け、障壁層形成時の昇温による井戸層のＩｎの離脱を防止する構造が提案されている（たとえば特許文献１）。この特許文献１では、障壁層の厚さと発光効率との関係については検討されているものの、キャップ層については厚さが２ｎｍであるとの記載があるのみで、キャップ層の厚さと発光効率との関係については検討されていない。

特開２００７−２０１１４６

しかし、井戸層と障壁層との間に、障壁層よりもバンドギャップが小さいキャップ層を設けると、井戸層にキャリアが落ち込む前にキャップ層でキャリアが再結合したり不純物準位にトラップされてしまう場合があり、キャリア注入効率が低下し、発光効率を低下させてしまう問題があった。これは、特に駆動電流密度が高い場合に顕著である。

そこで本発明の目的は、ＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、井戸層と障壁層の間のキャップ層による発光効率の低下を抑制することにある。

第１の発明は、Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなるキャップ層、井戸層よりもバンドギャップが大きく、キャップ層とはバンドギャップが異なるIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有し、井戸層とキャップ層の成長温度が等しく、障壁層の成長温度が井戸層およびキャップ層の成長温度よりも高いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、キャップ層と障壁層のうちバンドギャップが小さい方の厚さを、１〜４分子層とする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。ｎ型不純物にはＳｉ、ｐ型不純物にはＭｇが通常用いられる。

また、１分子層は、III 族窒化物半導体のｃ軸の格子定数の１／２であり、ＧａＮの場合は２．５９Åである。

障壁層は、キャップ層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体材料であってもよいし、キャップ層よりもバンドギャップが小さいIII 族窒化物半導体材料であってもよい。キャップ層および障壁層は、Ｉｎを含まない材料、つまりＧａＮまたはＡｌＧａＮであることが望ましい。特にキャップ層はＧａＮであることが望ましい。井戸層の形成時と同様の低温結晶成長ではＡｌＧａＮはＧａＮよりも結晶性が劣るからである。井戸層をＩｎＧａＮとする場合、Ｉｎの組成比は０．０５〜０．３５であることが望ましく、障壁層をＡｌＧａＮとする場合、Ａｌの組成比は０．０５〜０．４であることが望ましい。また、障壁層やキャップ層は単層であってもよいし、複層であってもよい。

井戸層、キャップ層、障壁層の繰り返し回数は、３〜１０回であることが望ましい。３回より少ないと、ＭＱＷ構造とすることによる発光効率向上効果が十分でなく、１０回よりも多いと発光効率を低下させてしまうからである。

井戸層およびキャップ層の成長温度は、７００〜９００℃であることが望ましい。また、障壁層の成長温度は、８５０〜１１００℃であることが望ましい。また、井戸層の厚さは１〜４ｎｍであることが望ましい。また、キャップ層と障壁層のうちバンドギャップが大きい方の厚さは１〜６ｎｍであることが望ましい。

また、井戸層とキャップ層の成長温度が等しい、とは厳密に等しいものである必要はなく、キャップ層の形成時に井戸層のＩｎが離脱しない程度の温度差であればよい。

第２の発明は、第１の発明において、障壁層は、キャップ層よりもバンドギャップが大きいことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、キャップ層は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第４の発明は、第３の発明において、井戸層はＩｎＧａＮ、キャップ層はＧａＮ、障壁層はＡｌＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明のように、キャップ層または障壁層を１〜４分子層の厚さに形成することにより、キャップ層または障壁層でのキャリアロスが低減されるため、発光効率を向上させることができる。

実施例１の発光素子１の構成を示した図。発光層１３の構成を示した図。発光素子１の製造工程について示した図。キャップ層１３２の厚さと光出力との関係を示したグラフ。キャップ層１３２の厚さと発光波長のピークとの関係を示したグラフ。実施例２の発光素子２の発光層２３の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光素子１の構成を示した図である。発光素子１は、サファイア基板１０上に、ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１、ｉ−ＧａＮとｉ−ＩｎＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｎ型クラッド層１２、ＭＱＷ構造の発光層１３、ｐ−ＩｎＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｐ型クラッド層１４、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１５が順に積層され、ｐ型コンタクト層１５上にｐ電極１６が形成され、ｐ型コンタクト層１５表面側からｎ型コンタクト層１１に達する深さまで一部がエッチングされることにより露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１７が形成された構造である。ｎ型コンタクト層１１とｎ型クラッド層１２との間にｉ−ＧａＮとｎ−ＧａＮからなるＥＳＤ層を設け、静電耐圧特性を高めるようにしてもよい。

サファイア基板１０以外には、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮなどを基板として用いることができる。また、基板にはストライプ状、ドット状などの凹凸加工が施されていてもよい。

発光層１３は、図２に示すように、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３１、ＧａＮからなるキャップ層１３２、ＡｌＧａＮからなる障壁層１３３が順に３〜５回繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層１３１の厚さは１〜４ｎｍ、障壁層１３３の厚さは１〜６ｎｍである。キャップ層１３２の厚さは、１〜４分子層である。１分子層はｃ軸の格子定数の１／２であり、ＧａＮの場合は２．５９Åである。

ｐ電極１６は、フェイスアップ型とする場合には、たとえばｐ型コンタクト層１５上にほぼ全面にわたって形成されたＩＴＯ電極と、ＩＴＯ電極上に配線状に形成されたＮｉ／Ａｕからなる配線電極とで構成された電極であり、フリップチップ型とする場合は、たとえばＡｇ、Ｒｈなどの高反射な金属材料からなる電極である。また、ｎ電極１８は、たとえばＴｉ／Ａｌなどである。

次に、発光素子の製造方法について図３を参照に説明する。まず、サファイア基板１０上に、バッファ層（図示しない）を介してＭＯＣＶＤ法によりｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２を順に形成する（図３（ａ））。キャリアガスには水素と窒素を用い、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ドーパントガスにはＳｉＨ₄（シラン）を用いる。

次に、成長温度７５０〜８００℃で厚さ１〜４ｎｍのＩｎＧａＮ（Ｉｎの組成比が０．０５〜０．１５％）からなる井戸層１３１を形成する工程、井戸層１３１上にその井戸層１３１形成時の成長温度を維持して厚さが１〜４分子層のＧａＮからなるキャップ層１３２を形成する工程、キャップ層１３２上に成長温度８５０〜９５０℃で厚さ１〜６ｎｍの障壁層１３３を形成する工程、の３つの工程を順に３〜５回繰り返して、ｎ型クラッド層１２上にＭＱＷ構造の発光層１３を形成する（図３（ｂ））。井戸層１３１、キャップ層１３２、障壁層１３３のいずれの層もＭＯＣＶＤ法によって形成し、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、キャリアガスや他の原料ガスはｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２の形成時と同様である。キャップ層１３２は、７５０〜８００℃から８５０〜９５０℃に昇温して障壁層１３３を形成する時に、井戸層１３１のＩｎの離脱を防止するために設けたものである。また、このときキャップ層１３２の厚さは、１〜４分子層となるように形成する。４分子層よりも厚いと、発光効率を低下させてしまう。

次に、発光層１３上にｐ型クラッド層１４、ｐ型コンタクト層１５を順に形成する（図３（ｃ））。Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｐ型ドーパント源にはＣｐ₂Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。キャリアガスや他の原料ガスはｎ型コンタクト層１１などの形成時と同様である。

次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１５表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１１に達する溝を形成する。そして、ｐ型コンタクト層１５上にｐ電極１７を形成し、ドライエッチングによる溝底面に露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１８を形成する。以上により、図１に示す発光素子１が作製される。

図４は、井戸層１３１の厚さを３ｎｍ、障壁層１３３の厚さを５ｎｍとした発光素子１について、キャップ層１３２の厚さと光出力との関係について示したグラフである。横軸はキャップ層１３２の厚さで、１分子層を単位としている。縦軸の光出力は、キャップ層１３２の厚さを１２分子層としたときを１とする相対値である。図４のように、キャップ層１３２の厚さの増大により光出力は単調に減少していることがわかる。また、キャップ層１３２の厚さを８分子層とすると、厚さを１２分子層とした場合の１．０２倍程度であり、それほど光出力に差はないが、キャップ層１３２の厚さが４分子層以下では、厚さが１２分子層の場合の１．０５倍以上の光出力である。したがって、キャップ層１３２の厚さを１〜４分子層とすれば、キャップ層１３２を設けることによって生じた、キャップ層１３２でのキャリアロスが大きく低減され、発光効率の向上を図ることができることがわかる。

また図５は、キャップ層１３２の厚さと発光波長のピークとの関係について示したグラフである。キャップ層１３２を設けた場合には、キャップ層１３２の厚さが８分子層以下の範囲では発光波長のピークは３９５ｎｍでほぼ一定であったが、キャップ層１３２を設けない場合は、井戸層１３１のＩｎが離脱してしまい、ピーク波長が３８５ｎｍと短くなり、所望の波長にならなかった。

実施例２の発光素子２は、発光素子１の発光層１３に替えて以下に説明する発光層２３を形成したものであり、他の構成は発光素子１と同様である。

発光層２３は、図６のようにＩｎＧａＮからなる井戸層２３１、ＡｌＧａＮからなるキャップ層２３２、キャップ層２３２よりもＡｌ組成比の小さいＡｌＧａＮ、もしくはＧａＮからなる障壁層２３３、が順に繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層２３１、キャップ層２３２はＭＯＣＶＤ法によって成長温度７００〜８５０℃で形成し、障壁層２３３はＭＯＣＶＤ法によって成長温度８５０〜１１００℃で形成する。また、井戸層２３１の厚さは１〜４ｎｍ、キャップ層２３２の厚さは１〜６ｎｍとする。障壁層２３３の厚さは、１〜４分子層の範囲とする。

実施例１の発光層１３では、キャップ層１３２のバンドギャップが障壁層１３３のバンドギャップよりも小さかったが、実施例２の発光層２３では逆にキャップ層２３２のバンドギャップが障壁層２３３のバンドギャップよりも大きい。このような場合は、障壁層２３３でのキャリアロスによる発光効率の低下が問題となる。そこで障壁層２３３の厚さを上記のように設計すると、障壁層２３３におけるキャリアロスが低減されるため、実施例１と同様に発光効率を向上させることができる。

なお、実施例１では発光層のキャップ層の材料としてＧａＮを用い、実施例２ではＡｌＧａＮを用いているが、本発明はこれに限るものではない。キャップ層の材料は、井戸層のバンドギャップよりも大きく、障壁層とはバンドギャップが異なるIII 族窒化物半導体材料であればよい。たとえば、井戸層にＩｎＧａＮ、障壁層にＡｌＧａＮを用いる場合、キャップ層に井戸層よりもＩｎ組成比の小さいＩｎＧａＮを用いてもよい。また、実施例１、２のいずれもキャップ層、障壁層を単層としたが、複層としてもよい。

また、本発明はIII 族窒化物半導体発光素子の発光層の製造工程に特徴を有するものであるから、発光層以外のIII 族窒化物半導体発光素子の構造、およびその製造工程については、従来より知られている種々の構造、製造工程を採用可能である。たとえば、基板として導電性の材料を用いるなどし、上下に電極を設けて基板に垂直な方向に導通を取る構造の発光素子に対しても適用可能である。

本発明によって得られるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに用いることができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎ型コンタクト層
１２：ｎ型クラッド層
１３、２３：発光層
１４：ｐ型クラッド層
１５：ｐ型コンタクト層
１６：ｐ電極
１７：ｎ電極
１３１、２３１：井戸層
１３２、２３２：キャップ層
１３３、２３３：障壁層

Claims

Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなるキャップ層、前記井戸層よりもバンドギャップが大きく、前記キャップ層とはバンドギャップが異なるIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有し、前記井戸層と前記キャップ層の成長温度が等しく、前記障壁層の成長温度が前記井戸層および前記キャップ層の成長温度よりも高いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記キャップ層と前記障壁層のうちバンドギャップが小さい方の厚さを、１〜４分子層とする、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記障壁層は、前記キャップ層よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記キャップ層は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記井戸層はＩｎＧａＮ、前記キャップ層はＧａＮ、前記障壁層はＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項３に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。