JP2013065630A - 半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、n形の第1層と、p形の第2層と、第1層と第2層との間に設けられた発光部と、第1層と発光部との間に設けられた第1積層構造体と、第1層と第1積層構造体との間に設けられた第2積層構造体と、を含む半導体発光素子が提供される。発光部は、複数の障壁層と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。第1積層構造体は、窒化物半導体を含む複数の第3層と、複数の第3層と交互に積層され井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層と、を含む。第2積層構造体は、第3層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第5層と、複数の第5層と交互に積層され井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第6層と、を含む。
【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。
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図1に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子10は、n形の第1層131と、p形の第2層151と、発光部140と、第1積層構造体210と、第2積層構造体220と、を含む。
図2(a)は、半導体発光素子10、及び、後述する半導体発光素子11、12、15、20、21、22、並びに、ウェーハ60及び70における発光部140の構成を例示している。図2(b)は、半導体発光素子10a、11a、12a、20a、21a、22a、並びに、ウェーハ60a及び70aにおける発光部140の構成を例示している。図2(c)は、後述する半導体発光素子10b、11b、12b、20b、21b、22b、並びに、ウェーハ60b及び70bにおける発光部140の構成を例示している。図2(d)は、後述する半導体発光素子11c、12c、20c、21c、22c、並びに、ウェーハ60c及び70cにおける発光部140の構成を例示している。
例えば、第2障壁層BL2は、例えば、Alx2Ga1−x2−y2Iny2N(0<x2、0≦y2、x2+y2<1)を含む。なお、x2はx1と同じでも良く、異なっても良い。また、y2は、y1と同じでも良く、異なっても良い。例えば、x2<x1である。
マスクを用いたドライエッチングによってp形半導体層と発光部140とを除去する。これにより、積層体の一部の領域において、n形コンタクト層130を露出させる。n形半導体層の露出した面を含む積層体の全体に、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いて図示していないSiO2膜を400nmの厚さで成膜する。
図3に表したように、作製した半導体発光素子15においては、導電性基板460とp側電極160との間に第1金属層455が設けられ、導電性基板460と第1金属層455との間に第2金属層465が設けられている。また、第1積層構造体210と第2積層構造体220との間に中間層181が設けられている。
サファイア基板(図示しない)上に、第1バッファ層121となる厚さ2μmのAlN層をMOCVD法により約1300℃で形成した。その上に、第2バッファ122となる厚さ2μmのGaN層をMOCVD法により約1200℃で形成した。
第2金属層465を有する導電性基板460を用意し、第1金属層455と第2金属層465と、を接着(ボンディング)した。この後、サファイア基板をレーザリフトオフ法により除去し、露出されたn−GaN層(n形コンタクト層130)の表面上にエッチングにより凹凸構造を形成した。また、蒸着と、リソグラフィーを用いたパターニングと、により所定の形状を有するn側電極170を形成した。n側電極170をZ軸に沿ってみたときのパターンは、n形コンタクト層130の周縁に沿う周縁部と、クロス形状部と、を有する。クロス形状部は、n形コンタクト層130のX軸における中央部を通りY軸に沿って延在する第1延在部と、n形コンタクト層130のY軸における中央部を通りX軸に沿って延在する第2延在部と、を有する。上記の周縁部は、n形コンタクト層130の4つの辺に沿う4つの辺を有し、4つの辺のそれぞれの中央部は、クロス形状部の端部と接している。
図4に表したように、第1参考例の半導体発光素子91においては、サファイア基板(図示しない)上に、5μmのSi添加n−GaN層501、AlGaN/GaNのスーパーラティス層502、MQWの発光層503、30nmのp−AlGaN層504、及び、0.12μmのp−GaN層505がこの順でMOCVD法によりこの順で積層される。これらの層を含む半導体層506の上に、銀ベースの高反射率p−電極層507が設けられる。p−電極層507からp−GaN層505、p−AlGaN層504、発光層503及びスーパーラティス層502を貫通しn−GaN層502に到達する、複数の電極取り出し穴508が形成されている。
図5には、実施形態に係る半導体発光素子15の特性と、第1参考例の半導体発光素子91の特性と、が例示されている。第1参考例の半導体発光素子91においては、第1積層構造体210及び第2積層構造体220が設けられていない。。図5の横軸は電流Ic(A:アンペア)であり、縦軸は光出力PW(W:ワット)である。
特に、複数の第4層204の合計の厚さと、井戸層42の厚さと、の合計が、30nm以上35nm以下の場合には、特に良好な結晶が得られる。
例えば、第3層203においては、障壁層41(例えば第1障壁層BL1)と同程度のAl組成(Al組成比が約10%以下)とされる。これにより、GaN層との間で電子に対する障壁による抵抗を小さくできると共に、良質な結晶成長を得ることが可能である。
井戸層42には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層42と第2障壁層BL2との界面では、正のチャージが井戸層42から第2障壁層BL2へ染み出す。一方、井戸層42と第1障壁層BL1との界面では、負のチャージが井戸層42から第1障壁層BL1へ染み出す。
第1障壁層BL1の井戸層42に接する界面に注目すると、その界面では、高濃度にドープされたSiから多量の電子が井戸層42に流れ込み、第1障壁層BL1の側にチャージを持ったSiが多量に残る。この界面での電子濃度及びSi濃度の分布は、ピエゾ電界を打ち消す働きがあり、その結果、ピエゾ電界が弱まる。ピエゾ電界が弱まると、ピエゾ電界により曲げられていた発光部140のエネルギーバンドが平らになり、それによって、発光効率が向上する。そして、発光スペクトルの半値幅は狭くなる。
高炭素濃度の第1AlNバッファ層121aは、基板110との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度の第2AlNバッファ層121bにより、第2AlNバッファ層121bの表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープのGaNバッファ層(第2バッファ層122)の結晶欠陥が低減される。高純度第2AlNバッファ層121bの厚さは、1μmよりも厚いことが望ましい。これにより、ノンドープのGaNバッファ層(第2バッファ層122)の結晶欠陥を効果的に低減できる。また、歪みによる反りの抑制のためには、高純度の第2AlNバッファ層121bの厚みが4μm以下であることが望ましい。
発光波長が390nm以上400nm以下である場合は、井戸層42の厚さを5.5nm以上にすることで、発光効率が増加すると共に、光出力の増加に伴う効率の低下や動作温度の上昇に伴う効率の低下が抑制され、さらに望ましい。
結晶品質の良い4元混晶AlGaInN層を成長することは難しく、さらにSiを高濃度にドープすると結晶は劣化しやすい。本願発明者は、LED素子構造の検討や成長条件を最適化することにより、結晶品質を落とすことなく、AlGaInNからなる障壁層BL1のIn組成比を高くすることに成功している。
図6(a)は、SQW構造を有する半導体発光素子10aの例を示している。図6(b)は、MQW構造を有する例として、2つの井戸層42を有する半導体発光素子10bの例を示している。同図には、電子における価電子帯Vb(valence band)と導電帯Cb(conduction band)とが例示されている。
図7に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子10dにおいては、第1障壁層BL1が3層構造を有している。これ以外は、半導体発光素子10と同様とすることができるので説明を省略する。
第2サブ層BL1bにおけるAl組成比は、例えば7%とされる。第2サブ層BL1bの厚さは、例えば5nmとされる。
第3サブ層BL1cにおけるAl組成比は、例えば第1積層構造体210の第3層203におけるAl組成比と同じに設定される。第3サブ層BL1cの厚さは、例えば2nmとされる。
図8に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子11(及び半導体発光素子11a〜11c)においては、導電性基板460の上に、第1層131、発光部140及び第2層151が設けられている。導電性基板460には、例えばGeが用いられる。半導体発光素子11、11a〜11cにおける発光部140は、図2(a)〜図2(d)に例示した構成を有することができる。
図9に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子12(及び半導体発光素子12a〜12c)においては、導電性基板460とp側電極160との間に第1金属層455が設けられ、導電性基板460と第1金属層455との間に第2金属層465が設けられている。
例えば、サファイアからなる基板110の上へ、第1バッファ層121、第2バッファ層122(低不純物濃度半導体層135となる)、n形コンタクト層130、第1層131(n形閉じ込め層)、第2積層構造体220、第1積層構造体210、発光部140、第2層151(p形閉じ込め層)、及び、p形コンタクト層150、の各結晶層を形成して結晶積層体180を形成する。
例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアc面からなる基板110の上に、AlNを含む第1バッファ層121(厚さは例えば2μm)を形成し、第2バッファ層122となるノンドープGaN層(厚さは例えば2μm)を形成する。
図10は、第2の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図10に表したように、本実施形態に係るウェーハ60(60a〜60c)は、窒化物半導体を含むn形の第1層131と、窒化物半導体を含むp形の第2層151と、発光部140と、第1積層構造体210と、第2積層構造体220と、を含む。発光部140は、第1層131と第2層151との間に設けられる。発光部は、複数の障壁層41と、複数の障壁層41の間に設けられた井戸層42と、を含む。ウェーハ60、60a、60b及び60cにおける、発光部140は、それぞれ図2(a)、図2(b)、図2(c)及び図2(d)に例示した構成を有する。
なお、複数の第4層204の合計の厚さと、井戸層42の厚さと、の合計は、25nm以上45nm以下とすることができる。
本実施形態は、例えば第1の実施形態に関して説明した半導体発光素子の製造方法に係る。
図11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、基板110上に、Alx3Ga1−x3N(0.8≦x3≦1)を含む単結晶バッファ層を形成する(ステップS101)。基板110は、サファイア層のc面の主面、または、シリコンの主面を有する。例えば、高炭素濃度の第1AlNバッファ層121aを形成し、第1AlNバッファ層121aの上に、高純度の第2AlNバッファ層121bを形成する。
n形半導体層の上に、第2積層構造体220を形成する(ステップS104)。すなわち、窒化物半導体を含む複数の第5層205と、GaInNを含む複数の第6層206と、を交互に積層する。
p形半導体層の形成の後に、基板110を除去する(ステップS108)。
図12に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法においては、例えば、サファイアからなる基板110上に、有機金属気相成長法によりAlN層(第1バッファ層121)を形成する(ステップS101a)。
すなわち、実施形態に係るウェーハの製造方法は、図11に例示したステップS101〜ステップS108、または、図12に例示したステップS101a〜ステップS107aを含むことができる。これにより、特に高効率に近紫外光を発光するウェーハを生産性良く製造できる。
図13は、第4の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図13に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子20(及び20a〜20c)は、窒化物半導体を含むn形の第1層131と、窒化物半導体を含むp形の第2層151と、発光部140と、積層構造体210s(第1積層構造体210)と、を含む。
図2(a)〜図2(d)に表したように、発光部140は、複数の障壁層41と、複数の障壁層41の間に設けられた井戸層42と、を含む。障壁層42は、AlGaInNを含む。
横軸は、積層構造体210sにおけるペア数mである。m=0の場合は、積層構造体210sが設けられていない技術により作製された参考例の半導体発光素子92(構造は図示しない)に相当する。縦軸は、p−GaN層(p形コンタクト層150)の表面の表面平坦度変化ΔRMS(nm)を示す。表面平坦度変化ΔRMSは、積層構造体210sを設けた半導体発光素子におけるp形コンタクト層150の表面の平坦度と、参考例の半導体発光素子92におけるp形コンタクト層150の表面の平坦度と、の差である。ΔRMSが負であることは、p形コンタクト層150の表面の平坦度が参考例の場合よりも向上していることを示す。このことは、積層構造体210s上の発光部140の平坦度が、積層構造体210sを設けない場合よりも向上していることを示している。このことは、半導発光体素子の特性、均一性、及び、作製上の再現性が向上していることを示す。
図15に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子21(及び半導体発光素子21a〜21c)においては、導電性基板460、第1金属層455、及び、第2金属層465が設けられている。半導体発光素子21、21a〜21cにおける発光部140は、図2(a)〜図2(d)に例示した構成を有することができる。
図16に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子22(及び半導体発光素子22a〜22c)においては、導電性基板460とp側電極160との間に第1金属層455が設けられ、導電性基板460と第1金属層455との間に第2金属層465が設けられている。
図17は、第5の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図17に表したように、本実施形態に係るウェーハ70(70a〜70c)は、窒化物半導体を含むn形の第1層131と、窒化物半導体を含むp形の第2層151と、発光部140と、積層構造体210s(第1積層構造体210)と、を含む。発光部140は、第1層131と第2層151との間に設けられる。発光部は、複数の障壁層41と、複数の障壁層41の間に設けられた井戸層42と、を含む。ウェーハ70、70a、70b及び70cにおける、発光部140は、それぞれ図2(a)、図2(b)、図2(c)及び図2(d)に例示した構成を有する。
なお、複数の第4層204の合計の厚さと、井戸層42の厚さと、の合計は、25nm以上45nm以下とすることができる。
本実施形態は、例えば第4の実施形態に関して説明した半導体発光素子の製造方法に係る。
図18は、第6の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図18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、基板110上に、Alx3Ga1−x3N(0.8≦x3≦1)を含む単結晶バッファ層を形成する(ステップS201)。基板110は、サファイア層のc面の主面、または、シリコンの主面を有する。例えば、高炭素濃度の第1AlNバッファ層121aを形成し、第1AlNバッファ層121aの上に、高純度の第2AlNバッファ層121bを形成する。
p形半導体層の形成の後に、基板110を除去する(ステップS208)。
図19に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法においては、例えば、サファイアからなる基板110上に、有機金属気相成長法によりAlN層(第1バッファ層121)を形成する(ステップS201a)。
すなわち、本実施形態に係るウェーハの製造方法は、図18に例示したステップS201〜ステップS208、または、図19に例示したステップS201a〜ステップS207aを含むことができる。これにより、特に高効率に近紫外光を発光するウェーハを生産性良く製造できる。
Claims (13)
- 窒化物半導体を含むn形の第1層と、
窒化物半導体を含むp形の第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に設けられた発光部であって、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
前記第1層と前記発光部との間に設けられた第1積層構造体であって、
窒化物半導体を含む複数の第3層と、
前記複数の第3層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層と、
を含む第1積層構造体と、
前記第1層と前記第1積層構造体との間に設けられた第2積層構造体であって、
前記第3層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第5層と、
前記複数の第5層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第6層と、
を含む第2積層構造体と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記複数の第3層は、AlGaInN及びGaNのいずれか一方を含み、
前記複数の第5層は、AlGaInN及びGaNのいずれか他方を含む、請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記複数の第3層は、AlGaInNを含み、前記複数の第3層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のいずれかの厚さよりも薄く、
前記複数の第5層は、GaNを含み、前記複数の第5層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のいずれかの厚さよりも薄い、請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記複数の障壁層のうちで前記第1積層構造体に最も近い第1障壁層におけるSi濃度は、前記第1積層構造体におけるSi濃度よりも高く、
前記第2積層構造体におけるSi濃度は、前記第1積層構造体におけるSi濃度よりも低く、
前記第1層におけるSi濃度は、前記第2積層構造体におけるSi濃度よりも低い、請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 窒化物半導体を含むn形の第1層と、
窒化物半導体を含むp形の第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に設けられた発光部であって、
AlGaInNを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、
を含む発光部と、
前記第1層と前記発光部との間に設けられた第1積層構造体であって、
AlGaNを含む複数の第3層と、
前記複数の第3層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層と、
を含み、前記第3層の数及び前記第4層の数は、10以上30以下である第1積層構造体と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記複数の障壁層のうちの、前記第1積層構造体に最も近い第1障壁層におけるバンドギャップエネルギーは、前記複数の障壁層のうちの前記第1障壁層を除く他障壁層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい、請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1積層構造体の発光相当波長は、370ナノメートル以上380ナノメートル以下である、請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記複数の第4層の合計の厚さと、前記井戸層の厚さと、の合計は、25ナノメートル以上45ナノメートル以下である、請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 窒化物半導体を含むn形の第1層と、
窒化物半導体を含むp形の第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に設けられた発光部であって、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
前記第1層と前記発光部との間に設けられた第1積層構造体であって、
窒化物半導体を含む複数の第3層と、
前記複数の第3層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層と、
を含む第1積層構造体と、
前記第1層と前記第1積層構造体との間に設けられた第2積層構造体であって、
前記第3層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第5層と、
前記複数の第5層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第6層と、
を含む第2積層構造体と、
を備えたウェーハ。 - 窒化物半導体を含むn形の第1層と、
窒化物半導体を含むp形の第2層と、
前記第1層と前記第2層との間に設けられた発光部であって、
AlGaInNを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、
を含む発光部と、
前記第1層と前記発光部との間に設けられた第1積層構造体であって、
AlGaNを含む複数の第3層と、
前記複数の第3層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いGaInNを含む複数の第4層と、
を含み、前記第3層の数及び前記第4層の数は、10以上30以下である第1積層構造体と、
を備えたウェーハ。 - サファイア層のc面の主面、または、シリコンの主面を有する基板上に、Alx3Ga1−x3N(0.8≦x3≦1)を含む単結晶バッファ層を形成し、
前記単結晶バッファ層の上にGaN層を形成し、
前記GaN層の上に、n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層を含むn形半導体層を形成し、
前記n形半導体層の上に、窒化物半導体を含む複数の第5層と、GaInNを含む複数の第6層と、を交互に積層して第2積層構造体を形成し、
前記第2積層構造体の上に、前記第5層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第3層と、GaInNを含む複数の第4層と、を交互に積層して第1積層構造体を形成し、
前記第1積層構造体の上に、障壁層と井戸層とを含む発光部を形成し、
前記発光部の上に、p形AlGaNを含む第2層を含むp形半導体層を形成し、
前記p形半導体層の形成の後に、前記基板を除去する、半導体発光素子の製造方法。 - サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりAlN層を形成し、
前記AlN層の上に、有機金属気相成長法によりGaN層を形成し、
前記GaN層の上に、n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層を含むn形半導体層を有機金属気相成長法により形成し、
前記n形半導体層の上に、窒化物半導体を含む複数の第5層と、GaInNを含む複数の第6層と、を交互に積層して第2積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第2積層構造体の上に、前記第5層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第3層と、GaInNを含む複数の第4層と、を交互に積層して第1積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第1積層構造体の上に、障壁層と井戸層とを含む発光部を有機金属気相成長法により形成し、
前記発光部の上に、p形AlGaNを含む第2層を含むp形半導体層を有機金属気相成長法により形成する、半導体発光素子の製造方法。 - サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりAlN層を形成し、
前記AlN層の上に、有機金属気相成長法によりGaN層を形成し、
前記GaN層の上に、n形GaN及びn形AlGaNの少なくともいずれかを含む第1層を含むn形半導体層を有機金属気相成長法により形成し、
前記n形半導体層の上に、窒化物半導体を含む複数の第5層と、GaInNを含む複数の第6層と、を交互に積層して第2積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第2積層構造体の上に、前記第5層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第3層と、GaInNを含む複数の第4層と、を交互に積層して第1積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第1積層構造体の上に、障壁層と井戸層とを含む発光部を有機金属気相成長法により形成し、
前記発光部の上に、p形AlGaNを含む第2層を含むp形半導体層を有機金属気相成長法により形成する、ウェーハの製造方法。
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