JP2013069900A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
コストおよび閾値電圧が上がることなく、静電耐圧特性を向上させた発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
基板上に、n側窒化物半導体層、活性層、およびp側窒化物半導体層が順に積層され、前記n側窒化物半導体層上および前記p側窒化物半導体層上に、それぞれn側電極およびp側電極が設けられた発光素子において、前記n側窒化物半導体層が、前記n型電極と接する上部n型コンタクト層と下部n型コンタクト層とで構成されるn型コンタクト層を有し、前記上部n型コンタクト層と前記下部n型コンタクト層との間に、前記上部n型コンタクト層および前記下部n型コンタクト層のいずれとも組成の異なるAlN層が設けられており、前記AlN層と前記n側電極との間の距離が、前記AlN層と前記基板との間の距離よりも短いことを特徴とする、発光素子。
【選択図】図1
Description
前記n側窒化物半導体層上および前記p側窒化物半導体層上に、それぞれn側電極およびp側電極が設けられた発光素子において、
前記n側窒化物半導体層が、前記n型電極と接する上部n型コンタクト層と下部n型コンタクト層とで構成されるn型コンタクト層を有し、
前記上部n型コンタクト層と前記下部n型コンタクト層との間に、前記上部n型コンタクト層および前記下部n型コンタクト層のいずれとも組成の異なるAlN層が設けられており、
前記AlN層と前記n側電極との間の距離が、前記AlN層と前記基板との間の距離よりも短いことを特徴とする。
本発明の発光素子は、基板上に、n側窒化物半導体層、活性層、p側窒化物半導体層が順に積層されており、p側窒化物半導体層の上にp側透光性電極およびp側パッド電極からなるp側電極が形成され、p側窒化物半導体層より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたn型コンタクト層の表面にn側電極が形成されている。
基板は、サファイアのC面、R面、A面の他、スピネル(MgAl2O4)等の絶縁性基板、SiC、ZnS、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。
本実施形態に係るn側窒化物半導体層は、少なくとも基板側から順に、バッファ層、下部n型コンタクト層、n側AlN層、上部n型コンタクト層、アンドープ半導体層及びn型多層膜層が積層されている。
バッファ層は、基板上に形成されており、基板と窒化物半導体との格子定数の不一致を緩和して、結晶性の高い窒化物半導体層をその上に形成するための低温成長層である。バッファ層は、最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。このようなバッファ層は、AlGaN、GaN、AlN等を、温度500〜800℃で10〜50nmの厚さに成長させて形成することが好ましい。
下部および上部n型コンタクト層は、その組成が特に限定されるものではなく、例えば、Al比率が0.2以下のAlGaN又はGaNからなる層であることが好ましい。このような組成にすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得やすい。下部および上部n型コンタクト層は、Si等のn型不純物を含有しており、その濃度は、窒化物半導体の結晶性を悪化しない程度に高いことが好ましい。例えば、1×1018/cm3以上、5×1021/cm3以下が挙げられる。
下部n型コンタクト層は、バッファ層上に900〜1300℃の温度で成長させて形成するが、その膜厚は特に限定されるものではない。例えば、1.0μm程度以上、好ましくは2.0μm程度以上とすることでシート抵抗を低減することができるが、ウェハの反り軽減などを考慮して2.0〜8.0μmの厚さに形成するのが好ましい。
また、上部n型コンタクト層は、後述するn側AlN層が基板よりもn側電極側に配置されるように形成するのが好ましい。例えば、後述するn側電極を形成する際の上部n型コンタクト層がエッチングされる深さを考慮して、n側AlN層上に900〜1300℃の温度で1.0〜4.0μm程度の厚さに成長させて形成するのが好ましい。
n側AlN層は、下部および上部n型コンタクト層との界面において、キャリア移動度を増大させ、n側電極から流れ込む電流を横方向に拡散するための層である。n側AlN層は、下部n型コンタクト層上に、下部および上部n型コンタクト層のいずれとも組成(又は格子定数)の異なるAlNを、1〜10nmの厚さで成長させて形成する。例えば、下部および上部n型コンタクト層としてGaNを成長させる場合には、n側AlN層としてAlNを成長させる。なお、n側AlN層は、n型不純物のドープの有無に関わらず、電流拡散効果を得ることができる。
アンドープ半導体層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)からなる層が挙げられる。なかでも、アンドープ半導体層は、GaN、x及び/又はyが0.2以下のAlyGa1−x−yN、InxGa1−x−yNが好ましく、更に、GaNからなる層を含むことが好ましい。このような組成により、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が容易に得られる。
アンドープ半導体層は、単層で形成されていてもよいが、多層で形成されていることが好ましい。アンドープ半導体層が多層で形成される場合、その全ての層が、n型不純物を含有しないアンドープ層とすることは必要ではなく、少なくとも1層がアンドープ層であればよい。また特に、アンドープ半導体層は、同じ組成のアンドープ層とドープ層とが交互に積層された層であることが好ましい。これらの交互の積層は、例えば、3層以上であることが好ましく、5層程度以下であることが適しており、アンドープ層とドープ層とのいずれが最下層及び/又は最上層であってもよい。具体的には、上部n型コンタクト層の上に、アンドープGaNからなる厚さ50〜150nmの第1の層を成長させ、その上に、Siを1×1018〜9×1018/cm3ドープしたGaNからなる厚さ1〜50nmの第2の層を成長させ、これを2回繰り返した後に、更にアンドープGaNを1〜10nmの厚さに成長させて、総膜厚が103〜410nmのアンドープ半導体層を形成する。このように、不純物がドープされていない、従ってキャリア移動度の高いアンドープGaN層と、不純物がドープされた、従ってキャリア濃度の高い層とが交互に存在することにより、順方向電圧Vfにおける閾値が低下する。第1の層は、第2の層よりもSiドープ量の少ないSiドープGaNであってもよい。
n型多層膜層は、組成の異なる少なくとも2種類以上の元素からなる窒化物半導体、例えば、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)からなる層が挙げられる。特に、n型多層膜層は、AlzGa1−zN(0≦z<1)(第1層)とInpGa1−pN(0<p<1)(第2層)との2種類の組成からなる層が交互に積層されるのが好ましい。第1層は、zが小さいほど、つまりアルミニウム含有量が小さいほど、結晶性が良好になるため、z=0であるGaNからなる層が好ましい。第2層は、pが0.5以下の層が好ましく、pが0.2以下の層がより好ましい。なかでも、n型多層膜層としては、第1層がGaNであり、第2層においてpが0.2以下のInpGa1−pNであるのが好ましい。
また、n型多層膜層を構成する単一層(つまり、第1層又は第2層)の膜厚は特に限定されないが、少なくとも1種類の単一層の膜厚を、10nm以下とすることが適しており、7nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。より具体的には、アンドープ半導体層の上に、GaNからなる厚さ1〜5nmの第1の層を成長させ、その上に、InGaNからなる厚さ0.5〜3nmの第2の層を成長させ、これを20回繰り返した後に、更にGaNを1〜5nmの厚さに成長させて、総膜厚が31〜165nmのn型多層膜層を形成する。このように単一層の膜厚を薄くすることにより、n型多層膜層が超格子構造となると共に、弾性臨界膜厚以下となり、n型多層膜層における各単一層の結晶性が良好となる。よって、積層が進むにつれて、より結晶性を向上させることができ、光出力の向上を実現させることができる。
活性層として、少なくともInを含んでなる窒化物半導体、好ましくはInxGa1−xN(0≦x<1)を含む井戸層と、障壁層とを有する多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造を用いることができる。井戸層や障壁層の膜厚は、30nm以下、好ましくは20nm以下とすることが望ましい。特に井戸層は薄い方が好ましく、10nm以下、更に好ましくは1〜5nmとすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層が得られる。
活性層が多重量子井戸構造からなる場合、出力の向上、発振閾値の低下などを図ることが可能となる。井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でもよい。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に1層であること(井戸層/障壁層/井戸層)に限るものではなく、2層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層/障壁層(1)/障壁層(2)/・・・/井戸層」というように、組成、不純物量等の異なる障壁層を複数設けてもよい。
このような障壁層としては、特に限定されないが、井戸層よりIn含有率の低い窒化物半導体、GaN、Alを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、InGaN、GaNまたはAlGaNを含むことが望ましい。障壁層の厚さや組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。
本実施形態に係るp側窒化物半導体層は、少なくとも活性層側から順に、p側クラッド層、p型コンタクト層が積層されている。
p側クラッド層は、p型不純物を含有するInxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも2層の積層構造が挙げられる。なかでも、AlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる単一層又はバンドギャップエネルギーの異なる少なくとも2層の積層構造が好ましい。例えば、本実施形態におけるp側クラッド層は、活性層の上に、MgドープAlGaNを10〜50nmの厚さに成長させ、更にその上にアンドープGaNを50〜100nmの厚さで成長させて形成する。
また、p側クラッド層を積層構造とする場合、各層の膜厚を10nm程度以下としてもよく、更には7nm程度以下、5nm程度以下とすることができる。このような薄膜に形成することにより、p側クラッド層が超格子構造となるため、結晶性を向上させることができる。その結果、p型不純物を添加した場合にキャリア濃度が大きく抵抗率の小さい層が得られ、発光素子のVf及び閾値等が低下し易い傾向にある。
また、p側クラッド層は、p型不純物濃度が、例えば、1×1022/cm3程度以下が好ましく、5×1020/cm3程度以下がより好ましい。p型不純物濃度の下限は特に限定されないが、5×1016/cm3程度以上が適している。ただし、積層構造においては、全ての層にp型不純物が含有されていなくてもよい。
場合により、前述のp側クラッド層と、後述のp型コンタクト層との間に、p型コンタクト層と組成の異なるAlN層(p側AlN層)を設けることにより、発光素子の静電耐圧特性を更に向上させることができる。p側AlN層の挿入位置はこれに限らず、p型コンタクト層と活性層との間にp型コンタクト層と接するように設けられる構成であれば、静電耐圧特性向上の効果を得ることができる。p側AlN層の厚さは、1〜10nmであることが好ましい。なお、p側AlN層は、p型不純物のドープの有無に関わらず、電流拡散効果を得ることができる。
p型コンタクト層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)からなる層が挙げられ、なかでも、GaN、Al比率0.2以下のAlGaN、In比率0.2以下のInGaNからなる層が好ましく、GaNからなる層がより好ましい。これらの組成は、電極材料と良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
p型コンタクト層の膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、50nm程度以上であることが好ましく、60nm程度以上であることがより好ましい。
不純物濃度は、例えば、1×1018/cm3以上、5×1021/cm3以下が挙げられる。
p側電極およびn側電極は、特に限定されず、当該分野で公知のもののいずれをも採用することができる。
例えば本実施形態に係るp側電極は、p型コンタクト層の上に、p側透光性電極およびp側パッド電極が順に形成して構成される。p側透光性電極は、光の取出効率を考慮して、活性層から出射される光を吸収しない材料によって形成されることが好ましく、例えば、導電性酸化物(ITOやZnO等)等が挙げられる。
また、n側電極は、p側窒化物半導体層より窒化物半導体層の一部を1.0〜1.5μm程度の深さでエッチング除去して上部n型コンタクト層を露出させ、露出された上部n型コンタクト層の表面に形成される。n側AlN層とn側電極との間の距離は、基板とn側電極との間の距離の1/2よりも短いことが好ましい。より具体的には、n側AlN層とn側電極との間の距離は、0.1μm〜3.0μm、より好ましくは0.1μm〜2.0μm、更に好ましくは0.1μm〜1.0μmである。これにより、n側電極から流れ込む電流が、キャリア移動度の高いn側AlXGa1−XN層との界面近傍に流れ易くなるため、静電耐圧特性を向上させることができる。
本発明の実施例1の発光素子を以下の工程に従って作製した。
サファイア(C面)からなる基板をMOCVDの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を900℃〜1200℃程度まで上昇させ、基板のクリーニングを行った。
続いて、温度を500〜800℃程度まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア、TMG(トリメチルガリウム)およびTMA(トリメチルアルミニウム)を用いて、基板上にアンドープAlGaNを約20nmの厚さに成長させて、第1バッファ層を形成した。
第1バッファ層を形成した後、TMAのみを止めて、温度を800〜1300℃程度まで上昇させた後、原料ガスにTMGおよびアンモニアガスを用いてアンドープGaNを約2.0μmの厚さに成長させ、第2バッファ層を形成した。
次に、温度900〜1300℃程度で、原料ガスにTMGおよびアンモニア、不純物ガスにシランを用いて、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNを約2.0μmの厚さに成長させ、下部n型コンタクト層を形成した。
n型コンタクト層の上に、温度950〜1350℃程度でTMAおよびアンモニアガスを用いて、AlNを約1.5nmの厚さに成長させ、n側AlN層を形成した。
続いて、温度を再び900〜1300℃程度に設定し、TMG、アンモニアガスおよびシランガスを用いて、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNを約4.0μmの厚さに成長させ、上部n型コンタクト層を形成した。
次に、シランガスのみを止め、温度900〜1300℃程度で、TMGおよびアンモニアガスを用いて、アンドープGaNからなる第1の層を約150nmの厚さに成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加し、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNからなる第2の層を約20nmの厚さに成長させた。これを繰り返して計2回行い、最後に、シランガスのみを止め、同温度にてアンドープGaNからなる層を約10nmの厚さに成長させて、5層からなる総厚さ約350nmのアンドープ半導体層を形成した。
次に、同様の温度で、アンドープGaNからなる第1の層を約1.5nm成長させ、次に温度を800〜1000℃程度にして、TMG、TMIおよびアンモニアを用いて、アンドープInGaNからなる第2の層を約1nm成長させた。そしてこれらの操作を繰り返して交互に20層ずつ積層させ、最後にGaNからなる第1の窒化物半導体層を約1.5nm成長させて、超格子構造を有する総厚さ約51.5nmのn型多層膜層を形成した。
温度900〜1300℃程度にてTMG、アンモニアガスおよびシランガスを用いて、SiドープGaNを約3.5nm成長させた後、シランガスのみを止め、GaNを約1.5nm成長させて、厚さ約5nmの障壁層を形成した。
次に、温度600〜1000℃程度にてTMG、TMIおよびアンモニアを用いて、アンドープInGaNからなる井戸層を約3nmの厚さに成長させ、続いてTMGおよびアンモニアを用いてアンドープGaNからなる障壁層を約5nmの厚さに成長させた。そして、井戸+障壁+井戸+障壁+・・・・+障壁の順で井戸層を9層、障壁層を9層、交互に積層して、総厚さ約72nmの多重量子井戸構造からなる活性層を形成した。
次に、温度900〜1000℃程度にてTMG、TMA、アンモニアおよびCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用いて、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型AlGaNを約10nmの厚さに成長させ、続いてTMGおよびアンモニアを用いて、アンドープGaNを約80nmの厚さに成長させ、p側クラッド層を形成した。
アンドープGaN層の上に、温度900〜1000℃程度にてTMG、アンモニアおよびCp2Mgを用いて、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNを約50nmの厚さに成長させ、p型コンタクト層を形成した。
次に、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp型コンタクト層側から約1.5μmの深さでエッチングを行い、n型コンタクト層の表面を露出させた。
続いて、p型コンタクト層上のほぼ全面にITOからなるp側透光性電極を形成した。次に、形成したp側透光性電極上およびエッチングにより露出させたn型コンタクト層上に、p側パッド電極及びn側電極をそれぞれ形成した。このとき、本実施例においては、n側電極とn側AlN層との距離は約3.0μmに設定された。
実施例2の発光素子は、n型コンタクト層を約3.0μm成長させた後、AlNを約1.5nm成長させ、その上に再びn型コンタクト層を約3.0μm成長させ、エッチング除去によりn側電極とn側AlN層との間の距離を約2.0μmに設定する以外は、実施例1と同様の手順で作製した。
実施例3の発光素子は、n型コンタクト層を約4.0μm成長させた後、AlNを約1.5nm成長させ、その上に再びn型コンタクト層を約2.0μm成長させ、エッチング除去によりn側電極とn側AlN層との間の距離を約1.0μmに設定する以外は、実施例1と同様の手順で作製した。
実施例4の発光素子は、n型コンタクト層を約5.0μm成長させた後、AlNを約1.5nm成長させ、その上に再びn型コンタクト層を約1.0μm成長させ、エッチング除去によりn側電極とn側AlN層との間の距離を約0.1μmに設定する以外は、実施例1と同様の手順で作製した。
実施例5の発光素子は、n型コンタクト層を約5.0μm成長させた後、AlNを2.0nm成長させ、その上に再びn型コンタクト層を約2.0μm成長させ、エッチング除去によりn側電極とn側AlN層との間の距離を約1.0μmに設定する以外は、実施例1と同様の手順で作製した。
実施例6の発光素子は、AlNを約3.0nm成長させる以外は、実施例5と同様の手順で作製した。
実施例7の発光素子は、AlNを約4.0nm成長させる以外は、実施例5と同様の手順で作製した。
実施例8の発光素子は、n側AlN層の厚さを1.5nmとし、p側クラッド層とp型コンタクト層との間に厚さ1.0nmのp側AlN層を挿入した以外は、実施例5と同様の手順で作製した。
下部n型コンタクト層と上部n型コンタクト層との間にn側AlN層が設けられていない比較例1の発光素子は、第2バッファ層の上に、温度900〜1300℃にて原料ガスにTMGおよびアンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用いて、Siを4.5×1018/cm3ドープしたGaNを7.0μmの厚さに成長させてn型コンタクト層を形成し、その上にアンドープ半導体層を形成する以外は実施例1と同様の方法で作製した。
比較例2の発光素子は、n側AlN層にかえてAlGaNを約5.0nm成長させる以外は実施例5と同様の手順で作製した。
比較例3の発光素子は、n側AlN層にかえてInGaNを約10nm成長させる以外は実施例5と同様の手順で作製した。
実施例1〜4および比較例1の発光素子に電圧を印加して静電耐圧特性を調べた。50Vおよび300Vの電圧を印加したときの破壊率を図2に示す。n側電極とn側AlN層との距離が近いほど破壊率が低下し、実施例1〜4の発光素子は、50Vにおける破壊率がゼロであった。
n型コンタクト層をエッチングで露出させる従来のLED構造では、電流が主に図1(a)に示すように流れる。これに対し、本実施例1〜4のようにn側AlN層がn側電極に近づくほど、電流が図1(b)に示すようにn側AlN層とn型コンタクト層との界面に流れ込み易くなる。結果的に、本発明では電流拡散効果が強まることになる為、静電耐圧特性が向上すると考えられる。
厚さ3μmのアンドープGaNの上に、厚さ0〜10nmのAlNを成長させ、更にその上にアンドープGaNを30nm成長させて、AlN層の厚さの異なるサンプルを作製した。このようにして得られた各サンプルのキャリア移動度を、ホール測定装置を用いてvan der Pauw法によって測定した。結果を図3に示す。
実施例5および6、7、並びに比較例2および3の発光素子に電圧を印加して静電耐圧特性を調べた。300Vの電圧を印加したときの破壊率の試験結果を図4に示す。図2と図4とを比較すると、n側AlN層の厚さが1.5nmである実施例4の破壊率が60%を超えているのに対して、n側AlN層の厚さが各々2nmおよび3nm、4nmである実施例5および6、7の発光素子の方が、破壊率が6.5%以下と高い静電耐圧特性を有することがわかる。
2 n型コンタクト層
2a 下部n型コンタクト層
2b 上部n型コンタクト層
3 活性層
4 p側窒化物半導体層
5 p側電極
5a p側透光性電極
5b p側パッド電極
6 n側電極
7 n側AlN層
Claims (7)
- 基板上に、n側窒化物半導体層、活性層、およびp側窒化物半導体層が順に積層され、
前記n側窒化物半導体層上および前記p側窒化物半導体層上に、それぞれn側電極およびp側電極が設けられた発光素子において、
前記n側窒化物半導体層が、前記n型電極と接する上部n型コンタクト層と下部n型コンタクト層とで構成されるn型コンタクト層を有し、
前記上部n型コンタクト層と前記下部n型コンタクト層との間に、前記上部n型コンタクト層および前記下部n型コンタクト層のいずれとも組成の異なるAlN層が設けられており、
前記AlN層と前記n側電極との間の距離が、前記AlN層と前記基板との間の距離よりも短いことを特徴とする、発光素子。 - 前記AlN層と前記n側電極との間の距離が、前記下部n型コンタクト層の厚さよりも短い、請求項1に記載の発光素子。
- 前記AlN層と前記n側電極との間の距離が、0.1μm〜3.0μmである、請求項1または2に記載の発光素子。
- 前記AlN層の厚さが、1nm〜10nmである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記AlN層の厚さが、3nm〜4nmである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記上部n型コンタクト層および下部n型コンタクト層がGaN層である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光素子。
- p側窒化物半導体層において、p型コンタクト層と組成の異なるAlN層が、p型コンタクト層と活性層との間でp型コンタクト層と接するように設けられていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光素子。
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