JP2013055280A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
従来に比較して順方向電圧を低くできる窒化物半導体素子を提供する。
【課題手段】SiがドープされたGaNからなるn側コンタクト層を含むn側窒化物半導体層と活性層とp側窒化物半導体層とを備え、n側窒化物半導体層にn側コンタクト層よりSi不純物濃度の高いAlxGa1−xN(1>x>0)層を有する。
【選択図】図1
Description
したがって、従来の窒化物半導体素子は、n側の抵抗を十分低くすることができず、順方向電圧を十分低くすることができなかった。
<実施形態>
本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、SiがドープされたGaNからなるn側コンタクト層を含むn側窒化物半導体層と活性層とp側窒化物半導体層とを含んで構成されており、n側窒化物半導体層にn側コンタクト層よりSi不純物濃度の高いAlxGa1−xN(1>x>0)層を有することを特徴としている。
尚、本明細書において下面とは、基板に近い方の面をいい、上面とは基板から遠い方の面をいう。
以下、その理由を具体的に説明する。
尚、本明細書において、n+AlxGa1−xN(1>x>0)層13は、n+AlGaN層13と記載することもある。
n+AlGaN層13がn側コンタクト層4の下側にある場合、両者の間に他の層が介在すると、n+AlGaN層13まで電流が届かない可能性がある。そこで、係る場合はn側コンタクト層4とn+AlGaN層13とが接していることが好ましい。
図2には、図1に比較して、n+AlGaN層13がn電極5に近い例を示し、図3には、n側コンタクト層4の上面に接してn+AlGaN層13が形成されている例を示している。尚、図2に示す例では、n+AlGaN層13の基板側に接して、例えば、n側コンタクト層4と同一組成の下地層14を設けている。
以上のように、n+AlGaN層13は、種々の位置に形成できるので、目的に応じて適切な位置に形成することができる。
バッファ層2は、基板1と窒化物半導体層との格子定数等の違いにより生じる歪による応力を緩和する層であり、例えば、AlxGa1−xN(0<x≦1)からなる。
AlxGa1−xN以外に、例えば、AlNなども用いることができる。
アンドープGaN層3は、バッファ層に生じたピットを減少させるためピット埋め込み層であり、例えば、3μmの厚さに形成される。
n+AlGaN層13は、上述したように、n側コンタクト層4とともにn側において横方向に電流を拡散する電流路を形成し、電流路全体の抵抗を低下させる。Al混晶比は、好ましくは、0.03≧x>0、より好ましくは、0.02≧x≧0.005に設定される。Al混晶比が高くなり過ぎると、結晶性が低下すると共にAlの面内組成分布が悪化してAlが不足する部位が発生し、Al混晶比が低すぎると、ピットの発生を抑える効果が低下する。これらのことを考慮すると、最も好ましいAl混晶比は、0.01程度である。n+AlGaN層13の膜厚は、薄いとn側半導体層全体の抵抗を低下させる効果が小さくなり、厚いと反応中のウエハの反りが大きくなるなどの問題があるために、n+AlGaN層の膜厚tは、3.0μm≧t≧0.05μm、より好ましくは、2μm≧t≧1μmの範囲に設定される。
また、Si不純物濃度は、n側コンタクト層4より高い値であってかつ好ましくは、1.18×1019原子/cm3〜5.6×1019原子/cm3の範囲、より好ましくは2×1019原子/cm3〜4×1019原子/cm3の範囲に設定される。
n側コンタクト層4は、n電極5が形成される層である。n側コンタクト層4は、n電極と良好なオーミック接触を実現するため、好ましくは、SiがドープされたGaNからなり、Si不純物濃度は高い方が好ましいが、ピットの発生を抑えて比較的厚く形成するために、好ましくは、8×1018原子/cm3〜1.32×1019原子/cm3の範囲に設定される。また、n側コンタクト層4の膜厚は、1μm以上であることが好ましい。
n側GaN複合層6は、低い順方向電圧と高い耐圧特性を得るために形成される層である。例えば、アンドープGaN層と、SiドープGaN層及びアンドープGaN層を順に積層させた複合膜とすることができる。複合膜を構成する個々の膜厚は限定されないが、5〜500nmが適しており、好ましくは、5〜300nmが良い。
超格子バッファ層7は、活性層と超格子バッファ層7より下に形成されたGaN層との間の緩衝層である。例えば、GaN層及びInGaN層からなる多層膜とすることができる。多層膜は、全体がアンドープでも良いし、GaNのみにSiドープしても良い。多層膜を構成する個々の膜厚は限定されないが、1〜5nmが適している。
活性層8は、例えば、井戸層と障壁層とが繰り返し交互に積層された多重量子井戸構造からなり、例えば、井戸層は、所望の発光波長の光に応じてInの混晶比が設定されたInGaNからなる。また、障壁層は、井戸層よりInの混晶比が小さいInGaN、GaN又はそれらにAlが含まれた組成からなる。
p側クラッド層9は、電子をブロックするp側の障壁層であり、例えば、膜厚が、10〜30nmのMgドープのAlyGa1−yN(1≧y≧0)からなる。
p側コンタクト層10は、pコンタクト電極11が設けられる層であり、例えばMgドープGaN層からなる。
n電極5は、n側コンタクト層4との間でオーミックコンタクトをとる電極である。n電極の材料は、限定されないが、例えばn側コンタクト層4側からTi/Rh/Auの3層構造とすることができる。
pコンタクト電極11は、例えば、ITO等の透明電極からなり、Pコンタクト電極11を介して光が出射される。
pパッド電極12は、限定されないが、電極形成工程の短縮化の観点から、n電極と同じ材料、すなわちn側コンタクト層4側からTi/Rh/Auの3層構造とすることができる。
尚、図1〜図3に示した窒化物半導体発光素子は、いずれもp型電極とn型電極とを同一面側に形成して両電極が同一方向から接続されるように構成した例で示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、p型電極が素子の上面に形成され、n型電極が素子の下面に形成された窒化物半導体発光素子であっても適用することができる。
実施例1.
実施例1では、例えば、ヘッドライト用に使用される1mm角の窒化物半導体発光素子を以下のようにして作製した。
次に、アンドープGaN層3の上にn側窒化物半導体層を構成する以下の層を順に成長させた。
(1)n+AlGaN層13:
実施例1では、n+AlGaN層13のAl混晶比xは、0.01とし、Si不純物濃度は、3.4×1019原子/cm3になるようにした。
ここで、n+AlGaN層13の成長レートは、比較的低い30nm/minに設定して、1μmの厚さに成長させた。
(2)n側コンタクト層4:
n側コンタクト層4は、膜厚が3μmのSiドープGaNとし、Si不純物濃度は、1.0×1019原子/cm3になるように調整した。
(3)n側GaN複合層6:
n側GaN複合層6は、0.3μmのアンドープGaN層、0.03μmの微量SiドープGaN層、0.005μmとアンドープGaNを順に成長させた3層構造とした。
(4)超格子バッファ層7:
超格子バッファ層7は、n側窒化物半導体層の最後の層であり、5nmのGaN層、4nmのアンドープGaN層、2nmのアンドープIn0.1Ga0.9N層をその順に繰り返しそれぞれ20層となるように積層した。
活性層8は、膜厚4nmのアンドープGaNの障壁層と膜厚3nmのIn0.3Ga0.7Nの井戸層とを繰り返し交互に9層ずつ積層し、最後に障壁層を積層した多重量子井戸構造とした。
(5)p側クラッド層(p側障壁層)9:
p側クラッド層として、厚さが12nmのMgドープのAl0.1Ga0.9N層を形成した。p側クラッド層のMg不純物濃度は、1×1020原子/cm3とした。
(6)p側コンタクト層10:
p側コンタクト層として、膜厚32nmのアンドープのGaN層、膜厚32nmのMg不純物濃度1×1020原子/cm3のGaN層及び膜厚15nmのMg不純物濃度5×1020原子/cm3のGaN層を順に形成した。
このp側コンタクト層を形成した後、N2とO2雰囲気で熱処理(600℃)することでp側窒化物半導体層を低抵抗化した。
n電極5は、Ti(1.5nm)/Rh(200nm)/Au(500nm)の3層構造とした。
pパッド電極12は、n電極5と同様、Ti(1.5nm)/Rh(200nm)/Au(500nm)の3層構造とした。
実施例2では、n+AlGaN層13の成長レートは、75nm/minに設定した以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。
比較例1では、n+AlGaN層13を形成することなく、n側コンタクト層4としてSi不純物濃度が1.0×1019原子/cm3のSiドープGaNを、4μmの厚さに形成した点を除いて実施例1と同様に1mm角の窒化物半導体発光素子を作製した。
その結果を、図5及び図6のグラフと表1に示す。
実施例3では、500μm×290μmの窒化物半導体発光素子を以下のようにして作製した。
実施例3の窒化物半導体発光素子の半導体積層構造は、n+AlGaN層13とn側コンタクト層4の膜厚が実施例1に比較して異なっている以外は、実施例1と同様にした。
具体的には、
n+AlGaN層13について、Al混晶比xは、0.01とし、Si不純物濃度は、3.4×1019原子/cm3になるようにして、2μmの厚さに形成した。
また、n側コンタクト層4については、膜厚が2μmのSiドープGaNとし、Si不純物濃度は、1.0×1019原子/cm3になるように調整した。
比較例2として、n+AlGaN層13を形成することなく、Si不純物濃度が1.0×1019原子/cm3のSiドープGaNを4μmの厚さに成長させてn側コンタクト層4とした以外は、実施例3と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。
その結果を、図7のグラフと表2に示す。
2 バッファ層
3 アンドープGaN層
13 n+AlGaN層
4 n側コンタクト層
5 n電極
6 n側GaN複合層
7 超格子バッファ層
8 活性層
9 p側クラッド層
10 p側コンタクト層
11 pコンタクト電極
12 pパッド電極
Claims (7)
- SiがドープされたGaNからなるn側コンタクト層を含むn側窒化物半導体層と活性層とp側窒化物半導体層とを備え、
前記n側窒化物半導体層は前記n側コンタクト層よりSi不純物濃度の高いAlxGa1−xN(1>x>0)層を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記AlxGa1−xN(1>x>0)層が、前記n側コンタクト層に接している請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n側コンタクト層が、前記AlxGa1−xN(1>x>0)層と前記活性層の間に位置する請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記AlxGa1−xN(1>x>0)層が、前記n側コンタクト層と前記活性層の間に位置する請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記AlxGa1−xN(1>x>0)層におけるAl混晶比xが、0.03以下に設定された請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記AlxGa1−xN(1>x>0)層におけるAl混晶比xが、0.02≧x≧0.005、の範囲に設定された請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記AlxGa1−xN(1>x>0)層の膜厚tが、3.0μm≧t≧0.05μm、の範囲に設定された請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
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