JP2014103242A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度かつ高発光効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなり、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された活性層１２と、活性層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成され、第２の導電型を有するＭｇドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなる電流拡散層と、電流拡散層上に形成されたコンタクト層１５と、コンタクト層上に形成された透明導電体層１６と、を有し、コンタクト層は１．０×１０^２０乃至５．０×１０^２０ｃｍ^−３の範囲内のキャリア濃度を有する炭素ドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる発光素子に関する。

発光ダイオードなどの半導体発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を有する半導体構造層を成長し、半導体構造層に電極を形成して作製される（例えば特許文献１）。また、活性層から発せられた光をより多く取出すことを図る半導体発光素子として、接合層を形成した別の基板（支持基板）と半導体構造層とを貼り合わせた後、成長用基板を除去した構成を有するいわゆるシンフィルム型の貼り合わせ構造（又はメタルボンディング構造：ＭＢ構造）の半導体発光素子が知られている。

特開平11-121796号公報

メタルボンディング構造の半導体発光素子においては、半導体構造層と電極材料との間にオーミック接触が形成されている必要がある。例えば金属を電極材料として用いる場合、半導体構造層上に金属材料からなる電極を形成する。発光効率を考慮すると、実際には、ＳｉＯ_２層などの絶縁体層を半導体構造層上に形成し、絶縁体層の表面から半導体構造層まで達する開口部を絶縁体層の一部に形成し、開口部に電極として金属部分を形成する。

さらに、その後、熱処理を行うことによって、開口部に設けられた金属部分と半導体構造層との界面の近傍が合金化され、金属部分と半導体構造層との間に良好なオーミック接触を形成することができる。しかし、当該合金化された部分においては、光が当該界面において反射されにくくなり、発光効率が低下してしまう。

例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体発光素子の場合、電極材料として、ＩＴＯなどの透明導電体を用いることもできる。この場合、透明導電体層とのオーミック接触を形成するためのコンタクト層が設けられ、透明導電体層はコンタクト層上に設けられる。通常、コンタクト層の形成には、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓが用いられる。しかし、ＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体よりも小さいバンドギャップを有しているので、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる発光素子が有する発光波長帯（５６０ｎｍ〜６６０ｎｍ）において、光を吸収する。従って、ＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層をコンタクト層として使用すると、発光効率が低下する。

一方、透明導電体層との良好なオーミック接触を形成するためには、コンタクト層は高いキャリア濃度を有している必要がある。コンタクト層のドーパントにはＭｇ又はＺｎが用いられるが、１×１０^１９ｃｍ^−３程度までの範囲でしかキャリア濃度を制御することができず、キャリア濃度５×１０^１９ｃｍ^−３を超えるものの作製は難しい。従って、良好なオーミック接触を形成するのに必要なキャリア濃度に達するまでドーピングすることができない。また、多量の不純物をドーピングすることによって、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる活性層に向かってドーパントが拡散し、成長が阻害され、半導体構造層の表面に凹凸ができるなどの不具合を生ずる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、透明導電体層との良好なオーミック接触を形成するコンタクト層を有し、高輝度かつ高発光効率な半導体発光素子を提供することを目的としている。

本発明による半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなり、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成され、第２の導電型を有するＭｇドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなる電流拡散層と、電流拡散層上に形成されたコンタクト層と、コンタクト層上に形成された透明導電体層と、を有し、コンタクト層は１．０×１０^２０乃至５．０×１０^２０ｃｍ^−３の範囲内のキャリア濃度を有する炭素ドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなることを特徴としている。

本発明による実施例の半導体発光素子の構造を示す断面図である。 実施例及び比較例１の半導体発光素子における電流−電圧特性を示す図である。 （ａ）は実施例及び比較例２の半導体発光素子における動作電圧を示す図であり、（ｂ）は比較例２の構造の一部を示す断面図である。 実施例及び比較例２の半導体発光素子の光出力特性を示す図である。 実施例（ａ）及び比較例２（ｂ）の半導体発光素子の一部を示す断面図である。

上記の課題を解決するために、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなるメタルボンディング構造を有する半導体発光素子において、ＩＴＯ層などの透明導電体層との良好なオーミック接触を得ることができるコンタクト層を形成することを検討した。

上記したように、ＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層をコンタクト層として使用すると、発光効率が低下する。一方、通常は電流拡散層として用いられるＧａＰ層はＩＴＯとのコンタクト性（オーミック接触性）が悪いため、コンタクト層として機能することができない。しかし、本願の発明者は、ＩＴＯ層との良好なオーミック接触を形成するキャリア濃度に達するまでＧａＰ層にドーピングすることができるドーパントを検討し、このＧａＰ層をＩＴＯ層とのコンタクト層として使用することを検討した結果、本発明に至った。

以下においては、図面を参照しつつ実施例を説明する。図１は、本発明による実施例の半導体発光素子１０の構造を示す断面図である。半導体発光素子１０は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなり、貼り合わせ構造（以下、メタルボンディング構造と称する）を有している。半導体発光素子１０は、例えば幅３５０μｍ、長さ３５０μｍの大きさを有している。

半導体発光素子１０は、第１のｎクラッド層１１Ａ及び第２のｎクラッド層１１Ｂからなるｎ型半導体層１１、活性層１２並びに第１のｐクラッド層１３Ａ及び第２のｐクラッド層１３Ｂからなるｐ型半導体層１３、がこの順で順次形成された構造を有している。第１のｎクラッド層１１Ａは半導体発光素子１０のｎ型電流拡散層及び光取出し層として機能する。ｎ型半導体層１１、活性層１２及びｐ型半導体層１３は、例えば有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法を用いて、成長用基板（図示せず）上に成長される。

本実施例においては、成長用基板として、（１００）面から１５度傾斜した（オフ角が１５度である）ＧａＡｓ基板を用いた。第１のｎクラッド層１１Ａの組成は（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚は約３μｍ、ドーパントはケイ素（Ｓｉ）、キャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３とした。第２のｎクラッド層１１Ｂの組成はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚は約０．５μｍ、ドーパントはＳｉ、キャリア濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３とした。活性層１２は、組成が（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚が１０ｎｍである井戸層（ウェル層）と、組成が（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚が１０ｎｍである障壁層（バリア層）と、からなる多重量子井戸構造を有している。なお、例えば、２０層の井戸層が設けられている。第１のｐクラッド層１３Ａの組成は（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚は約０．２μｍ、ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）、キャリア濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３とした。第２のｐクラッド層１３Ｂの組成はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚は約０．８μｍ、キャリア濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３とした。

半導体発光素子１０は、ｐ型電流拡散層１４、コンタクト層１５及び透光性の導電体層（以下、透明導電体層と称する）１６を有している。ｐ型電流拡散層１４及びコンタクト層１５は、ｐ型半導体層１３の第２のｐクラッド層１１Ｂ上に成長される。透明導電体層１６は、スパッタ装置などを用いてコンタクト層１５上に成膜される。ここでは、ｎ型半導体層１１からコンタクト層１５までの全体を半導体構造層と称する。

本実施例においては、ｐ型電流拡散層１４はＧａＰからなり、層厚は約１μｍ、ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）、キャリア濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３とした。コンタクト層１５はＧａＰからなり、層厚は約１０ｎｍ、ドーパントは炭素（Ｃ）、キャリア濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３とした。この高濃度の炭素のドーピングは、コンタクト層１５の成長を６００℃以下の温度にて行うこと及びＶ族原料とIII族原料との供給モル比であるV/III比を５以下にすることによって実現した。透明導電体層１６としてＩＴＯを用い、その層厚は２０ｎｍとした。透明導電体層１６の形成後、窒素雰囲気の下、約５００℃の温度条件で熱処理を行った。本実施例においては、透明導電体層がＩＴＯ層である場合について説明する。

半導体発光素子１０は、金属層１７及び支持基板１８を有している。金属層１７は、ＩＴＯ層１６上に形成された多層構造を有する第１の金属層（図示せず）と、支持基板１８上に形成された多層構造を有する第２の金属層（図示せず）と、を接合することによって形成される。第１の金属層及び第２の金属層の蒸着にはスパッタ法又は電子ビーム蒸着法が用いられる。

本実施例においては、ＩＴＯ層１６上に第１の金属層としてＡｕＺｎ層、ＴａＮ層、ＴｉＷ層、ＴａＮ層、Ｎｉ層及びＡｕ層を積層したものと、Ｓｉからなる支持基板１８上に第２の金属層としてＰｔ層、Ｔｉ層及びＡｕＳｎ層を積層したものと、を接合した。その結果、金属層１７は、支持基板１８上に、Ｐｔ層、Ｔｉ層、ＡｕＳｎＮｉ層、ＴａＮ層、ＴｉＷ層、ＴａＮ層及びＡｕＺｎ層がこの順で順次積層された構造を有しており、ＡｕＺｎ層上にはＩＴＯ層１６が設けられている。

半導体発光素子１０は、第１の電極１９Ａ及び第２の電極１９Ｂを有している。より具体的には、第１の電極１９Ａは第１のｎクラッド層１１Ａ上に形成され、第２の電極１９Ｂは支持基板１８上に形成されている。

本実施例においては、成長用基板であるＧａＡｓ基板（図示せず）を化学エッチングによって除去し、表出した第１のｎクラッド層１１Ａの表面上に約１μｍの深さの凹凸構造を形成した後、第１のｎクラッド層１１Ａの表面上に第１の電極１９Ａを形成した。また、第２の電極１９Ｂを支持基板１８上に形成した。

上記においては、半導体発光素子１０を作製する原料として、V族原料のホスフィン（ＰＨ_３）、III族原料のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を使用した。また、キャリアガスとして水素を用い、ｎ型半導体層１１、活性層１２及びｐ型半導体層１３の成長温度は６８０℃、ｐ型電流拡散層１４の成長温度は７５０℃、成長圧力は１０ｋＰａの減圧下とした。ｎ型半導体層１１のドーパントにはシラン（ＳｉＨ_４）を用いた。ｐ型半導体層１３及びｐ型電流拡散層１４のドーパントにはジシクロペンタマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。コンタクト層１５に炭素をドーピングする材料としてテトラブロモカーボン（ＣＢｒ_４）を用いた。

半導体発光素子１０は、ＩＴＯ層１６とのオーミック接触を形成するための層として、コンタクト層１５を有している。コンタクト層１５は、１×１０^２０ｃｍ^−３の高いキャリア濃度を有する炭素ドープのＧａＰから構成されている。従って、ＩＴＯ層１６とコンタクト層１５との良好なオーミック接触を得ることができる。

また、ＩＴＯ層１６がコンタクト層１５との間の全面に形成されており、金属（例えばＡｕＺｎ）材料がコンタクト層１５に接触していない。従って、熱処理を行っても合金化による金属拡散が起こらない。さらに、コンタクト層とｐ型半導体層との間にｐ型電流拡散層を設けているので、コンタクト層のドーパントである炭素が活性層へ取り込まれ、炭素が非発光センタとして働くことを防いでいる。従って、反射効率が向上し、発光効率が大幅に改善され、高発光効率かつ高輝度な半導体発光素子を提供することができる。

図２（ａ）は本実施例の半導体発光素子１０における電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示している。このグラフは、半導体発光素子１０のオーミック接触を評価するために測定されたものである。図２（ａ）の横軸は順方向電圧、縦軸は順方向電流を表している。図２（ａ）に示されているように、本実施例では、線形な電流−電圧特性を得ることができた。すなわち、抵抗値がほぼ一定であり、良好なオーミック接触が形成されていることがわかる。

図２（ｂ）は比較例１の半導体発光素子における電流−電圧特性を示している。比較例１は、コンタクト層１５のキャリア濃度を５×１０^１９ｃｍ^−３と小さくした点で上記実施例（キャリア濃度、１×１０^２０ｃｍ^−３）と異なる。図２（ｂ）の横軸及び縦軸は図２（ａ）と同様である。図２（ｂ）に示されているように、比較例１の半導体発光素子の電流−電圧特性は、線形性から外れ、１０Ｖの電圧付近に折れ曲がり（キンク）が見られる。すなわち、比較例１の半導体発光素子の場合、良好なオーミック接触が形成されていないことがわかる。

図３（ａ）は、本実施例の半導体発光素子１０及び比較例２の半導体発光素子の駆動電流（横軸）に対する動作電圧（縦軸）を示す図である。図３（ｂ）は比較例２の構造の一部を示す断面図である。図３（ｂ）に示されているように、比較例２においては、従来技術として、ｐ型電流拡散層１４と金属層１７との間にＳｉＯ_２層２１が設けられ、ＳｉＯ_２層２１にはｐ型電流拡散層１４から金属層１７まで達する開口部が設けられ、開口部には金属材料であるＡｕＺｎ部２２が形成されている。

図３（ａ）に示されているように、本実施例の半導体発光素子１０は、１００ｍＡ以上の駆動電流を印加した場合でも、比較例２の素子と同等以下の十分小さい動作電圧を有している。すなわち、本実施例の半導体発光素子１０は従来技術と比べても遜色のない良好な動作電圧を実現することができていることを示している。

図４は本実施例の半導体発光素子１０及び比較例２の半導体発光素子の光出力特性を示す図である。図４の横軸は駆動電流、縦軸は光出力を表している。図４に示されているように、比較例２の半導体発光素子に比べて、本実施例の半導体発光素子１０は高出力の光を発することができる。例えば１００ｍＡの電流を印加した場合、本実施例の素子は比較例２の素子よりも約２０％光出力が大きい。

図３（ａ）及び図４から、本実施例においては、比較例２の素子に比べて、動作電圧が同程度であるにもかかわらず光出力が向上していることがわかる。これは、本実施例の特徴である、コンタクト層に高濃度の炭素をドーピングしていることと、コンタクト層と金属材料とが接触していないこととの効果を示している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施例の素子及び比較例２の素子の一部の断面を示している。図５（ａ）は、本実施例の半導体発光素子１０におけるコンタクト層１５付近の断面を示す電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）観察画像である。図５（ｂ）は、比較例２の半導体発光素子におけるＳｉＯ_２層２１付近の断面を示すＳＥＭ画像である。図の上部が半導体構造層側、下部が金属層側を示している。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、約５００℃での熱処理後における２つの半導体発光素子を示している。

図５（ａ）に示されているように、本実施例の素子におけるコンタクト層と金属層との界面には良好な表面が形成されている。一方、図５（ｂ）に示されているように、比較例２の素子におけるＳｉＯ_２層とｐ型電流拡散層との間には金属材料の拡散（破線で囲まれた部分）が発生している。これはＳｉＯ_２層２１における金属部分（図３（ｂ）におけるＡｕＺｎ部２２）が熱処理によって合金化され、ＡｕＺｎ部２２のエッジ部２２Ａにおいて金属材料であるＡｕＺｎがｐ型電流拡散層側（図の上方）に向かって拡散したことに起因する。上記したように、この表面状態の悪い部分においては光の反射効率が低下し、その結果光取出し効率の低下を招く。

なお、本実施例においては、コンタクト層が１×１０^２０ｃｍ^−３のキャリア濃度を有する場合について説明したが、これ以上のキャリア濃度を有していても良い。結晶の表面状態（モフォロジ）や結晶性を考慮すると、キャリア濃度の上限は５×１０^２０ｃｍ^−３である。また、コンタクト層が１０ｎｍの層厚を有する場合について説明したが、表面状態及び結晶性を考慮すると、コンタクト層の好ましい層厚は１０〜１００ｎｍである。

ｎ型半導体層及びｐ型半導体層が２層構造を有する場合について説明したが、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は単層構造を有していても良い。例えば、第２のｎクラッド層１１Ｂ及び第２のｐクラッド層１３Ｂは形成されなくても良い。また、活性層が多重量子井戸構造を有する場合について説明したが、活性層は単層構造（いわゆるバルク活性層）又は単一量子井戸構造を有していても良い。

ｎ型半導体層の表面に凹凸構造を形成する場合について説明したが、当該凹凸構造は形成されなくても良い。例えば第１のｎクラッド層は平坦な表面を有していても良い。ｎ型半導体層の形成にシラン（ＳｉＨ_４）を用いる場合について説明したが、ジエチルテルル（ＤｅＴｅ）又はセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いてｎ型半導体層を形成しても良い。透明導電体層と接触する金属層の表面がＡｕＺｎ層からなる場合について説明したが、ＡｕＺｎ層の代わりにＡｇ層が透明導電体層に接触していても良い。

コンタクト層及びｐ型電流拡散層がＧａＰ層からなる場合について説明したが、コンタクト層及びｐ型電流拡散層はＩｎが含まれたＧａＰ層からなっていてもよい。コンタクト層はＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＰ（０≦ｘ≦０．１）の組成を有し、電流拡散層はＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＰ（０≦ｙ≦０．１）の組成を有していることが好ましい。Ｉｎ組成（ｘ及びｙ）が０．１を超えると、炭素のドーピング効率が悪くなると共に、結晶性が悪くなるからである。

ｎ型半導体層及びｐ型半導体層が上記したような組成、層厚及びキャリア濃度を有する場合について説明したが、各層の層厚及びキャリア濃度は各層の成長条件などによって異なる。例えば、成長用基板にＧａＡｓ基板を使用し、成長温度を５００〜７００℃に設定する場合、好ましいｎ型半導体層及びｐ型半導体層の組成は（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．４５≦ｘ≦０．５５、０．３≦ｙ≦１．０）である。また、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、活性層に対して透明であり、電子を有効に閉じ込めることができる構造を有していれば良い。

活性層は、臨界膜厚以下の層厚を有していれば良い。例えば、活性層が単層構造を有する場合の活性層の好ましい組成は（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．４≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．７）であり、活性層が量子井戸構造を有する場合の井戸層及び障壁層の各々の好ましい組成は（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．４≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．７）である。

透明導電体層がＩＴＯからなる場合について説明したが、透明導電体層は活性層からの光に対して透光性であればよい。例えば透明導電体層はＩＺＯなどの金属酸化物から構成されていてもよい。

上記したように、本発明による半導体発光素子はＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなり、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成され、第２の導電型を有するＭｇドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなる電流拡散層と、電流拡散層上に形成されたコンタクト層と、コンタクト層上に形成された透明導電体層と、を有し、コンタクト層は１．０×１０^２０乃至５．０×１０^２０ｃｍ^−３の範囲内のキャリア濃度を有する炭素ドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなる。かかる構成によって、透明導電体層との良好なオーミック接触を形成するコンタクト層を有する高輝度かつ高発光効率な半導体発光素子を提供することができる。

１０ 半導体発光素子
１１ ｎ型半導体層
１２ 活性層
１３ ｐ型半導体層
１４ ｐ型電流拡散層
１５ コンタクト層
１６ 透明導電体層

Claims (4)

1. ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体発光素子であって、
   第１の導電型を有する第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の導電型を有するＭｇドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなる電流拡散層と、
   前記電流拡散層上に形成されたコンタクト層と、
   前記コンタクト層上に形成された透明導電体層と、を有し、
   前記コンタクト層は１．０×１０^２０乃至５．０×１０^２０ｃｍ^−３の範囲内のキャリア濃度を有する炭素ドープのＧａＩｎＰ又はＧａＰからなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記コンタクト層はＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＰ（０≦ｘ≦０．１）の組成を有し、前記電流拡散層はＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＰ（０≦ｙ≦０．１）の組成を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記コンタクト層は１０乃至１００ｎｍの範囲内の層厚を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記透明導電体層は金属酸化物からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。