JP2012209488A

JP2012209488A - 発光素子

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Publication number: JP2012209488A
Application number: JP2011075192A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Tanaka; 浩康田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】光半導体層の結晶性を向上させつつ、発光効率の低下を招きにくくすることが可能な発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３上に設けられた、窒化ガリウム系半導体を含む発光層４と、発光層４上に設けられた、発光層４と接するブロック層５を持つｐ型窒化ガリウム系半導体層６とを有し、ブロック層５は、マグネシウムを含有した電子ブロック層５ａと、電子ブロック層５ａよりもマグネシウムの含有量が小さい、厚みが３ｎｍ以下の正孔トンネル層５ｂとが積層されている。このような正孔トンネル層５ｂをブロック層５が有していることから、光半導体層７の結晶性を向上させつつ、発光効率の低下を招きにくくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体を複数積層させた発光素子に関するものである。

現在、紫外光、青色光あるいは緑色光等を発光する発光素子として、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層させた光半導体層が種々提案されている。特に、光半導体層を構成する光半導体として窒化物半導体を用いた発光素子の開発において、発光素子の発光効率を向上させることが必要となっている。

発光素子の発光効率を向上させる技術として、ｎ型半導体層から発光層へ注入される電子が発光層を越えてｐ型半導体層内に入ることを抑制するブロック層を発光層とｐ型半導体層との間に設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開2000−91631号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発光素子によれば、ブロック層は、ｐ型半導体層内において他のｐ型半導体層よりもマグネシウムの含有量を大きくして設ける必要があったため、ブロック層の結晶品質が低下してしまい、ブロック層上に積層されるｐ型半導体層の結晶品質を向上させることが困難だった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体層の結晶性を向上させつつ、発光効率の低下を招きにくくすることが可能な発光素子を提供することにある。

本発明の発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、該ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた、窒化ガリウム系半導体を含む発光層と、該発光層上に設けられた、該発光層と接するブロック層を持つｐ型窒化ガリウム系半導体層とを有し、前記ブロック層は、マグネシウムを含有した電子ブロック層と、該電子ブロック層よりもマグネシウムの含有量が小さい、厚みが３ｎｍ以下の正孔トンネル層とが積層されている。

本発明の発光素子によれば、上記の通り、ブロック層が電子ブロック層と電子ブロック層よりもマグネシウムの含有量が小さい正孔トンネル層とで構成されていることから、ブロック層の結晶品質を向上させることができる。また、マグネシウムの含有量を小さくした正孔トンネル層の厚みが３ｎｍ以下となるように設定されていることから、ｐ型半導体層内の正孔が正孔トンネル層の障壁を通過して発光層側に移動することができるようになり、発光素子の発光効率の低下を招きにくくすることができる。

本発明の発光素子の実施形態の一例を示す斜視図である。図１に示す発光素子の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。式のパラメータを説明するための模式図であり、ポテンシャル分布を表す図である。図１および図２に示す発光素子において、発光層、ブロック層およびｐ型窒化ガリウム系半導体層のエネルギーバンドを示すバンド図である。本発明の発光素子の実施形態の変形例であり、発光層、ブロック層およびｐ型窒化ガリウム系半導体層のエネルギーバンドを示すバンド図である。本発明の発光素子の実施形態の変形例であり、ｎ型窒化ガリウム系半導体層、第２ブロック層および発光層のエネルギーバンドを示すバンド図である。本発明の発光素子の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。本発明の発光素子の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施の形態の例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の変更を施すことができる。

＜発光素子＞
図１に、本発明の実施の形態の一例である発光素子１の斜視図を示す。図２は図１に示す発光素子１の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。

発光素子１は、図１に示すように、主に、基板２と、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３、発光層４、ブロック層５およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６からなる光半導体層７とを有している。

基板２は、光半導体層７を結晶成長させることが可能な材料を用いることができ、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ホウ化ジルコニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。このような基板２は、平面視形状が四角形状となるように形成されている。基板２の厚みは、例えば10μｍ以上1000μｍ以下に設定されている。なお、基板２の平面視形状としては、例えば四角形状もしくは五角形状などの多角形状または円形状などに設定することができる。

このような基板２は、後述する光半導体層７を成長させた後、エッチングなどを用いて除去してもよい。これにより、光半導体層７で発光した光が基板２で吸収されにくくなるため、光取り出し効率を向上させることができる。また、基板２が除去された光半導体層７の主面に凹凸構造を設けることにより、基板２が除去された光半導体層７の主面で全反射されにくくすることができ、光取り出し効率を向上させることができる。

光半導体層７は、図２に示すように、基板２上に複数の半導体層を積層させることによって構成されている。光半導体層７の平面視形状は、基板２の平面視形状と同様に、例えば四角形状もしくは五角形状などの多角形状または円形状などとすることができる。光半導体層７は、全体の厚みが例えば100ｎｍ以上20μｍ以下で形成される。また、光半導体層７の各層の屈折率は、窒化ガリウムを用いた場合には、例えば1.80以上2.70以下に設定される。

光半導体層７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３、窒化ガリウム系半導体を含む発光層４、ブロック層５およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６から構成されている。窒化ガリウム系半導体は、例えばインジウム、アルミニウム、ボロンを含む窒化ガリウム半導体の混晶を用いることができる。なお、突起ガリウム系半導体として窒化ガリウムのみを用いて
もよい。

ｎ型窒化ガリウム系半導体層３は、基板２上に設けられる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層３は、窒化ガリウムからなり、厚みが例えば50ｎｍ以上10μｍ以下に設定されている。ｎ型窒化ガリウム系半導体層３は、例えば不純物としてシリコンを含ませることにより、電子を多数キャリアとするｎ型の導電型が半導体に付与されている。

発光層４は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３上に設けられる。発光層４には、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いることができる。障壁層と井戸層の一方は、窒化ガリウム系半導体から構成されている。障壁層および井戸層としては、インジウムとガリウムとの窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムとの組成比を調整したものを用いることができる。このように構成された発光層４は、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長で発光強度がピークとなる光を発光することができる。

ｐ型窒化ガリウム系半導体層６は、発光層４上に設けられる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層６は、発光層４と接するようにブロック層５を有している。ｐ型窒化ガリウム系半導体層６は、例えば不純物としてマグネシウムを含ませることによって、正孔を多数キャリアとするｐ型の導電型が半導体に付与されている。なお、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３とｐ型窒化ガリウム系半導体層６とは、互いに逆に配置されていてもよい。

ブロック層５は、発光層４とｐ型窒化ガリウム系半導体層６との間に配置されている。ブロック層５は、電子ブロック層５ａおよび正孔トンネル層５ｂが積層されて構成されている。本例においては、ブロック層５は、電子ブロック層５ａと正孔トンネル層５ｂとの積層体が複数積層されている。

電子ブロック層５ａは、マグネシウムが含有するように設けられている。具体的に、電子ブロック層５ａは、窒化ガリウム系半導体にマグネシウムがドープされることによって設けられる。窒化ガリウム系半導体は、マグネシウムの含有量がｐ型窒化ガリウム系半導体層６よりも高くなるように設定することができ、例えば１×10¹⁹／ｃｍ^３以上１×10²⁰／ｃｍ^３以下となるように設定されている。電子ブロック層５ａは、厚みが、例えば４ｎｍ以上0.5μｍ以下となるように設定することができる。

正孔トンネル層５ｂは、電子ブロック層５ａ上に積層されている。正孔トンネル層５ｂは、電子ブロック層５ａよりもマグネシウムの含有量が小さくなるように設定されており、例えば電子ブロック層５ａのマグネシウム含有量が正孔トンネル層５ｂのマグネシウム含有量よりも100分の１以下となるように設定することができる。具体的に、正孔トンネル層５ｂのマグネシウム含有量は、例えば１×10¹⁸／ｃｍ^３以下となるように設定することができる。正孔トンネル層５ａは、層全体が電子ブロック層５ａのマグネシウム含有量よりも小さくなるように設定されている。なお、電子ブロック層５ａおよび正孔トンネル層５ｂのマグネシウム含有量は、例えば飛行時間型二次イオン質量分析（Time of Flight
Secondary Ion Mass Spectroscopy)法などを用いて分析することができる。

また、正孔トンネル層５ｂの厚みは、正孔が正孔トンネル層５ｂをトンネルして通過することができるように設定される。具体的には、窒化ガリウム系半導体にマグネシウムを添加することによりｐ型の導電型を付与した場合であれば、正孔トンネル層５ｂは、３ｎｍ以下となるように設定することができる。このような正孔トンネル層５ｂの厚みとしては、以下の式を用いて算出することができる。

ここで、図４に式のモデルを示す。Ｌｗは電子ブロック層５ｂの厚み、Ｌｂは正孔トンネル層５ａの厚みを用いることができ、Ｌは電子ブロック層５ｂと正孔トンネル層５ｂとの積層体がｚ方向に複数積層された際の周期を示している。また、Ｖ_０は正孔トンネル層５ｂの電子ブロック層５ａに対するエネルギー障壁を表しており、例えば接合前の電子ブロック層５ａおよび正孔トンネル層５ｂのフェルミエネルギーの差の値を用いることができる。ｍは正孔トンネル層５ｂにおける正孔の有効質量を示しており、例えば自由電子の質量を１倍から２倍したものを用いることができる。さらに、ｈはプランク定数、ｋ_ｚは波数であり、Ｅｚはその波数に対するエネルギーを示している。なお、このような値を上記の式に当て嵌めて解くと、正孔がトンネルすることのできる正孔トンネル層５ｂの厚みは、３ｎｍ以下となる。また、電子ブロック層５ａの厚みに関しても、電子をトンネルさせない厚みを同様の式を用いて算出することができる。

光半導体層７には、電圧を印加して発光させるための電極層が設けられている。電極層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３に電気的に接続された第１電極層８と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層６に電気的に接続された第２電極層９とから構成されている。

第１電極層８は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３の露出した上面３ａ’に設けられている。第１電極層８は、発光層４およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６と電気的に絶縁させるために、発光層４およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６と間を開けて設けられている。第１電極層８と、発光層４およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６との間隔は、例えば500ｎｍ以上２μｍ以下に設定することができる。

第１電極層８および第２電極層９は、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属や、それらの金属を含む合金膜や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物などを用いることができる。第１電極層８および第２電極層９は、それぞれ厚みが、例えば１ｎｍ以上20μｍ以下となるように設定することができる。

本例の発光素子１は、ブロック層５に電子ブロック層５ａと正孔トンネル層５ｂを有する構成となっている。このようにブロック層５が電子ブロック層５ａのマグネシウムの含有量よりも小さい正孔トンネル層５ｂを有していることから、ブロック層５に含有されているマグネシウムの量を減らすことができるため、ブロック層５の結晶性を向上させることができる。そして、ブロック層５の結晶性を向上させることができることから、ブロック層５上に積層されるｐ型窒化ガリウム系半導体層６の結晶性を向上させることができる。

従来の発光素子において、ブロック層でマグネシウムの含有量を減らした場合、電子を発光層に閉じ込める効果が十分に得られず、かつ価電子帯において正孔のｐ型窒化ガリウム系半導体層から発光層への移動を妨げる障壁が形成されることになるため、マグネシウムの含有量を減らしつつ、発光素子の発光効率を向上させることが困難だった。

本例の発光素子１では、正孔トンネル層５ｂは、厚みが３ｎｍ以下となるように設定さ
れている。ここで、光半導体層７のエネルギーバンド図を図４に示す。図４に示すように、正孔トンネル層５ｂの厚みは、正孔がトンネルして移動することができるようになっている。そのため正孔トンネル層５ｂを電子ブロック層５ａよりもマグネシウムの含有量を小さくすることにより価電子帯に障壁が形成された場合でも、正孔が当該障壁をトンネルしてｐ型窒化ガリウム系半導体層５から発光層４に移動することができる。その結果、ブロック層５のマグネシウムの含有量を小さくして結晶性を向上させるとともに、正孔トンネル層５ｂが正孔の移動を妨げにくくなっていることから、発光素子１の発光効率の低下を抑制することができる。

（発光素子の各種変形例）
以下、本発明の発光素子１の変形例について説明をする。なお、上述の発光素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

（発光素子の変形例１）
電子ブロック層５ａは、発光層４から遠ざかるにつれてマグネシウムの含有量が次第に小さくなっていてもよい。ここで、図５に、発光層４、ブロック層５およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６のエネルギーバンドを示すバンド図を示す。このように、電子ブロック層５ａを、発光層４から遠ざかるにつれてマグネシウムの含有量が次第に小さくなるように設定することにより、図５に示すように、正孔にとってｐ型窒化ガリウム系半導体層６から発光層４側に向かうにつれて、エネルギーが少しずつ小さくなるように傾斜させることができる。そのため、ｐ型窒化ガリウム系半導体層６からブロック層５に入った正孔は、エネルギーが小さくなっている方向である発光層４側に移動しやすくなる。その結果、発光層４へ移動する正孔を多くすることができ、発光層４内に存在する正孔が多くなるため、発光素子１の発光効率を向上させることができる。

（発光素子の変形例２）
正孔トンネル層５ｂには、マグネシウムを含有していなくてもよい。正孔トンネル層５ｂをマグネシウムが含有されなくすることにより、正孔トンネル層５ｂおよび電子ブロック層５ａの結晶性をさらに向上させることができる。

（発光素子の変形例３）
ｎ型窒化ガリウム系半導体層３は、発光層４と接する第２ブロック層10を有していてもよい。第２ブロック層10は、正孔ブロック層10ａおよび電子トンネル層10ｂにより構成されている。ここで図６に、ｎ型窒化ガリウム系半導体３、第２ブロック層10および発光層４のエネルギーバンド図を示す。

正孔ブロック層10ａは、シリコンを含有するように設けられている。すなわち、正孔ブロック層10ａは、シリコンをドープすることによって設けることができ、含有量が、例えば１×10¹⁸／ｃｍ^３以上１×10²⁰／ｃｍ^３以下となるように設けられている。電子トンネル層10ｂは、正孔ブロック層10ａよりもシリコンの含有量が小さくなるように設定されており、含有量が、例えば9.0×10¹⁷／ｃｍ^３以下となるように設けられている。このようにｎ型窒化ガリウム系半導体層３に、正孔ブロック層10ａよりもシリコンの含有量が小さい電子トンネル層10ｂを有する第２ブロック層10を設けることにより、第２ブロック層10の結晶性を向上させることができる。そして、第２ブロック層10の結晶性を向上させることにより、第２ブロック層10上に積層される発光層４およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６の結晶性を向上させることができる。

さらに、電子トンネル層５ｂは、厚みが、３ｎｍ以下となるように設けられている。そのため、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３から移動してきた電子が、伝導帯に形成された障壁をトンネルして発光層４に移動するようになる。その結果、正孔ブロック層10ａよりも
シリコンの含有量を小さくした電子トンネル層10ｂを設けることによって、第２ブロック層10の結晶性を向上させるとともに、電子トンネル層10ｂが電子の移動を妨げにくい構造となっていることから発光素子１の発光効率の低下を抑制することができる。

＜発光素子の製造方法＞
次に、本発明の発光素子の製造方法の実施の形態の一例を説明する。図７および図８は、発光素子１の製造方法を説明するための断面図であり、図２に示す発光素子１のＡ−Ａ’線における断面に相当する部分を示している。本例の発光素子の製造方法は、主に、光半導体層７を順次積層する工程および電極層を形成する工程を有している。以下、各工程について説明する。

（光半導体層を順次積層する工程）
図７に示すように、基板２上に光半導体層７を形成する。光半導体層７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３、発光層４、ブロック層５およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６を順次積層した積層構造体で構成する。光半導体層７は、基板２上に例えば有機金属気相成長法によって成長させる。光半導体層７を成長させる他の方法として、例えば分子線エピタキシー法、ハイドライド気相成長法またはパルス・レーザ・デポジション法などを用いることができる。なお、光半導体層７としてはIII−Ｖ族半導体を用いることができ、ｐ型またはｎ型の導電型を半導体に付与する際には、光半導体層７を結晶成長させながら添加物を混ぜればよい。

ブロック層５は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層６においてマグネシウムを含有させる量を変化させればよい。具体的には、電子ブロック層５ａを形成する際にマグネシウムを供給するとともに、正孔トンネル層５ｂを形成する際にマグネシウムの供給を中止することにより、電子ブロック層５ａおよび正孔トンネル層５ｂにおいてマグネシウムの含有量を変化させればよい。

（電極層を形成する工程）
このように形成した光半導体層７に電極層を形成する。具体的には、基板２上に光半導体層７を成長させた後、エッチングなどでｐ型窒化ガリウム系半導体層６、ブロック層５および発光層４の一部を除去することにより、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３の上面を露出させる方法を用いることができる。なお、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３の上面の一部である露出領域Ｓｐは、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３の上面の一部だけでなく、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３の一部がエッチングで削れることによって露出した表面であってもよい。

そして、次に、図８に示すように、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３の露出領域Ｓｐに発光層４、ブロック層５およびｐ型窒化ガリウム系半導体層６と間をあけて第１電極層８を形成する。さらに、ｐ型窒化ガリウム系半導体層６上に、第２電極層９を形成する。

第１電極層８および第２電極層９は、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属や、それらの金属を含む合金膜や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物などを用いることができる。第１電極層８および第２電極層９を設ける方法としては、例えば金属を用いる場合は、スパッタリング法または蒸着法などを用いることができる。

１発光素子
２基板
３ｎ型窒化ガリウム系半導体層
４発光層
５ブロック層
５ａ電子ブロック層
５ｂ正孔トンネル層
６ｐ型窒化ガリウム系半導体層
７光半導体層
８第１電極層
９第２電極層
10 第２ブロック層
10ａ正孔ブロック層
10ｂ電子トンネル層

Claims

ｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
該ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた、窒化ガリウム系半導体を含む発光層と、該発光層上に設けられた、該発光層と接するブロック層を持つｐ型窒化ガリウム系半導体層とを有し、
前記ブロック層は、マグネシウムを含有した電子ブロック層と、該電子ブロック層よりもマグネシウムの含有量が小さい、厚みが３ｎｍ以下の正孔トンネル層とが積層された発光素子。
前記電子ブロック層は、前記発光層から遠ざかるにつれてマグネシウムの含有量が次第に小さくなっている請求項１に記載の発光素子。
前記正孔トンネル層は、マグネシウムを含有していない請求項１に記載の発光素子。
前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、前記発光層と接する第２ブロック層を持ち、該第２ブロック層は、シリコンを含有した正孔ブロック層と、該正孔ブロック層よりもシリコンの含有量が小さい、厚みが３ｎｍ以下の電子トンネル層とが積層された請求項１−３のいずれかに記載の発光素子。