JP2013030816A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、窒化物半導体からなるn型層と、窒化物半導体からなるp型層と、n型層とp型層との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層と、複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、障壁層におけるバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体からなる井戸層と、を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、を備え、複数の障壁層の少なくともいずれかは、n型層の側に設けられた第1層と、p型層の側に設けられ、第1層よりも高い濃度でn型不純物を含む第2層と、を含み、井戸層の少なくともいずれかは、n型層の側に設けられ第3層と、p型層の側に設けられ、第3層よりも高い濃度でn型不純物を含む第4層と、を含む半導体発光素子が提供される。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
すなわち、同図(b)は、半導体発光素子の全体の構成を例示し、同図(a)は、半導体発光素子のうちの発光部の構成を例示している。
障壁層BL及び井戸層WLは、窒化物半導体からなる。井戸層WLには、少なくともインジウム(In)を含む窒化物半導体を用いるのが良い。障壁層BLのバンドギャップエネルギーは、井戸層WLよりも大きい。
すなわち、障壁層BLがInを含む場合、障壁層BLにおけるInの濃度は、井戸層WLにおけるInの濃度よりも低い。これにより、井戸層WLにおけるバンドギャップエネルギーは、障壁層BLにおけるバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。
まず、サファイアからなる基板10の主面上に、バッファ層11を形成した後、n型GaN層21を結晶成長させる。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)が用いられる。この他、分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)により結晶成長を行っても良い。n型GaN層21にドープするn型不純物としてSiが用いられる。ただし、この他、Ge及びSnなど種々の元素を用いることが可能である。n型GaN層21におけるSiのドーピング量は、例えば、2×1018cm−3程度とされ、n側GaN層21の厚さは、例えば4μm(マイクロメートル)とされる。
例えば、まず、1層目の第1障壁層BL1を形成する。このとき、まず、n型不純物の濃度が低い、すなわち、例えばアンドープの第1層BLLを形成する。この第1層BLLには、例えばアンドープのIn0.02Ga0.98Nが用いられ、厚さは例えば10.5nm(ナノメートル)とされる。なお、アンドープのIn0.02Ga0.98Nにおいても、わずかなn型不純物を含有しているので、アンドープのIn0.02Ga0.98Nの第1層BLLにおけるn型不純物濃度は、1×1016cm−3〜1×1017cm−3である。
これにより、障壁層BLの厚さは、12.5nmとなる。このように、第2層BLHの厚さ(この例では2nm)は、第1層BLLの厚さ(この例では10.5nm)に対して薄く設定される。
なお、障壁層BLは、井戸層WLよりも大きい複数のバンドギャップエネルギーを有することができる。例えば、第1層BLLと第2層BLHとが、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有していても良く、また、第1層BLL及び第2層BLHにおけるバンドギャップエネルギーが傾斜状または階段状に変化していても良い。
なお、これにより、井戸層WLの厚さは、2.5nmとなる。このように、第4層WLHの厚さ(この例では1nm)は、第3層WLLの厚さ(この例では1.5nm)に対して薄く設定される。
すなわち、p型GaNコンタクト層54の上にp側電極80を形成する。p側電極80には、例えば、パラジウム−白金−金(Pd/Pt/Au)の複合膜を用いる。例えば、Pd膜の厚さは0.05μmであり、Pt膜の厚さは0.05μmであり、Au膜の厚さは0.05μmである。ただし、この他、酸化インジウムスズ(ITO)などの透明性電極や反射性の高い金属を用いることが可能である。
これにより、図1に例示した半導体発光素子110が作製される。
図2及び図3は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子の発光部における伝導帯のエネルギーバンド及び高濃度不純物層の配置をモデル的に示しており、図2(a)は本実施形態に係る半導体発光素子110に対応し、図2(b)〜(f)及び図3(a)〜(e)は、第1〜第10比較例の半導体発光素子191〜200に対応する。
このように、障壁層BLから井戸層WLへの切り替え、及び、井戸層WLから障壁層BLへの切り替えの際に、低濃度の第3層WLL、または、低濃度の第1層BLLから結晶成長を開始することにより、井戸層WL及び障壁層BLの結晶性が向上し、また、井戸層WLと障壁層BLとの間の不純物濃度及び組成の変化の急峻性も向上できる。
図2(b)に表したように、第1比較例の半導体発光素子191においては、障壁層BL及び井戸層WLには、高濃度で不純物を含む層が設けられていない。
すなわち、図4(a)は、20mAの電流を通電した際の発光効率を示している。縦軸は、第1比較例の半導体発光素子191の発光効率を1とした規格化発光効率Irである。発光効率の測定においては、各半導体発光素子に、20mAの電流を通電し、その時の発光出力を測定し、その結果から発光効率を求めた。また、図4(b)は、20mAの電流が流れるときの駆動電圧を示している。縦軸は、第1比較例の半導体発光素子191の駆動電圧を1としたときの規格化駆動電圧Vrである。
また、図4(b)に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子110における駆動電圧(規格化駆動電圧Vr)は、比較例のいずれよりも低い。
このように、本実施形態に係る半導体発光素子110は、発光効率及び駆動電圧の両方の特性を大幅に改善する。
図5に表したように本実施形態に係る別の半導体発光素子111においては、p型層50に最も近い最終障壁層BLZには、第1層BLLと第2層BLHとの積層構造が設けられておらず、最終障壁層BLZの全体は、不純物濃度が低い層(例えばアンドープ層)である。それ以外は、半導体発光素子110と同様である。
本製造方法は、窒化物半導体からなるn型層20と、窒化物半導体からなるp型層50と、n型層20とp型層50との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層BLと、複数の障壁層BLのそれぞれの間に設けられ、障壁層BLにおけるバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体からなる井戸層WLと、を有する発光部40と、を有し、障壁層BLの少なくともいずれかは、n型層20の側に設けられ、n型不純物の濃度が低い第1層BLLと、p型層50の側に設けられ、第1層BLLよりも高い濃度でn型不純物を含む第2層BLHと、を含み、井戸層WLの少なくともいずれかは、n型層20の側に設けられ、n型不純物の濃度が低い第3層WLLと、p型層50の側に設けられ、第3層WLLよりも高い濃度でn型不純物を含む第4層WLHと、を含む半導体発光素子の製造方法である。
図10に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、n型層20が形成された基板が配置された処理室内に、III族原料ガスとV族原料ガスとを導入して、n型層20の上に、第1層BLLを形成した後、n型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第2層BLHを形成する(ステップS110)。
一方、III族原料ガスには、例えば、Ga(CH3)3やGa(C2H5)3等の有機金属Ga化合物ガス、並びに、In(CH3)3やIn(C2H5)3等の有機金属In化合物ガスを用いることができる。また、障壁層BL及び井戸層WLがAlを含む場合には、III族原料として、例えば、Al(CH3)3やAl(C2H5)3等の有機金属Al化合物ガスを用いることができる。
また、n型不純物としてSiを用いる場合には、不純物原料ガスとして、SiH4等のSi水素化物ガスやSi(CH3)4等の有機Si化合物ガスを用いることができる。
なお、ステップS130においては、ステップS110よりも、例えばInの比率を高める。これにより、井戸層WL(第3層WLL及び第4層WLH)におけるバンドギャップエネルギーを、障壁層BLよりも小さくできる。
井戸層WLと障壁層BLの成長条件(例えば成長温度など)が異なる場合には、このステップS140中に成長条件の変更を行うことが可能である。
ただし、2回目以降のステップS110においては、第1層BLLの形成は、第4層WLHの上に行われる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (10)
- 窒化物半導体からなるn型層と、
窒化物半導体からなるp型層と、
前記n型層と前記p型層との間に設けられ、
窒化物半導体からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、前記障壁層におけるバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、窒化物半導体からなる井戸層と、
を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、
を備え、
前記複数の障壁層の少なくともいずれかは、
前記n型層の側に設けられn型不純物の濃度が低い第1層と、
前記p型層の側に設けられ、前記第1層よりも高い濃度でn型不純物を含む第2層と、を含み、
前記井戸層の少なくともいずれかは、
前記n型層の側に設けられn型不純物の濃度が低い第3層と、
前記p型層の側に設けられ、前記第3層よりも高い濃度でn型不純物を含む第4層と、を含むことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1層及び前記第2層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有していることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第1層及び前記第2層の少なくともいずれかのバンドギャップエネルギーは、傾斜状または階段状に変化していることを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記第2層及び前記第4層における前記n型不純物濃度は、5×1017cm−3以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2層及び前記第4層における前記n型不純物濃度は、1×1019cm−3以下であることを特徴とする請求項4記載の半導体発光素子。
- 前記第1層及び前記第3層における前記n型不純物濃度は、1×1017cm−3以下であることを特徴とする請求項5記載の半導体発光素子。
- 前記第1層及び前記第3層における前記n型不純物濃度は、1×1016cm−3以上であることを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子。
- 前記第2層の厚さは、前記第1層の厚さ以下であることを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記第4層の厚さは、前記第3層の厚さ以下であることを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。
- 前記n型不純物は、Si、Ge、Sn及びTeよりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項9記載の半導体発光素子。
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