JP2015041766A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光半導体装置を光源として利用する場合において、発光効率を高めて光出力を高く取り出す目的で、内部量子効率が結晶の欠陥密度に関して強い負の相関をもっており、光源として光出力を取り出す構成にあって設計性もしくは制御性の向上を提供する。【解決手段】基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ型電極を夫々設けてある光半導体装置にあって、動作層と基板との間に結晶欠陥低減のためのバッファ層を形成してなる構造を有すると同時に、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値を超えた場合に、発光部面積領域を限定して形成して、内部量子効率を高めて高い光出力を十分に取り出す事が出来る光半導体装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けてある光半導体装置の高効率化・高信頼化技術に関する。

この種の光半導体装置は、基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、光出力を取り出す構成となっている。

Ｓ．Ｙａｍａｋｏｓｈｉ，Ｍ．Ａｂｅ，Ｏ．Ｗａｄａ，Ｓ．Ｋｏｍｉｙａ，ａｎｄ Ｔ．Ｓａｋｕｒａｉ著、「ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｆ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，Ｖｏｌ．ＱＥ−１７，Ｎｏ．２」、１９８１年発行、第１６７頁から第１７３頁 Ｎ．Ｙａｍａｄａ著「ＯＹＯ ＢＵＴＵＲＩ，Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．２」、，１９９９年発行、第．１３９頁から第１４５頁

上記した光半導体装置を光源として利用する場合において、以下に説明するように、発光効率を高めて光出力を高く取り出す必要がある。

この目的のためには、欠陥や不純物の少ない高品質な結晶を実現して、非発光再結合確率を減少させて内部量子効率の高い光半導体装置を構成することが必要である。

内部量子効率が結晶の欠陥密度に関して強い負の相関をもっており光源として光出力を取り出す構成にあっては設計性もしくは制御性の向上が困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を、発光部面積領域を最適設計化もしくは制御性を向上して形成した光半導体装置であって、高効率化・高光出力化・高信頼化が可能なものを提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係る光半導体装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値を超えた場合に、発光部面積の最大値を限定して形成してなる構造を有する点にある。

同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した如く、基板として、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ等の種々の単結晶材料を使用する、もしくは、前記単結晶材料を種々の前記単結晶材料の多結晶材料の上に接合形成・一体化した材料を使用する、もしくは、前記単結晶材料を種々の前記単結晶材料の非結晶材料の上に接合形成・一体化した材料を使用する構造を有する点にある。

同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載した如く、基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ型電極を夫々設けてある半導体装置にあって、動作層と基板との間に結晶欠陥低減のための緩衝層（バッファ層）を形成してなる構造を有する点にある。

同第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１、２、３、もしくは４に記載した如く、発光層として、可視光線又は紫外光線を発光可能なＩＩＩ族窒化物半導体、もしくは、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を基板上に形成し、光取り出し構造を有する点にある。

同第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１、２、３、または５に記載した如く、発光層として、可視光線又は赤外光線を発光可能なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を基板上に形成し、光取り出し構造を有する点にある。

同第六から八の特徴構成は、それぞれ特許請求の範囲の欄の請求項６、７、又は８に記載したように、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値を超えた場合に、発光部面積領域を限定して形成してなる光半導体装置にあって、高い内部量子効率を実現した高い光出力を十分に取り出す事が出来る点にある。

図１は本発明の係る光半導体装置の構成を表すものである（（ａ）エピタキシャル結晶構造と（ｂ）デバイス構造）。

第１の実施の形態は、ＳｉＣ基板に、ＭＯＣＶＤエピタキシャル結晶成長法により、バッファ層として、ｎ−ＧａＮ低温堆積層（膜厚０．１μｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３）、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層（ｘ＝０．０９，膜厚５０ｎｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３）に引続き、ｎ−ＧａＮ（膜厚０．２μｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３、ｎ−Ｉｎ_０．０９Ａｌ_０．３２Ｇａ_０．５９Ｎ（膜厚５０ｎｍ，ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３），ｎ−ＧａＮ（膜厚０．２μｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３）を順次成長した。

第２の実施の形態は、前記バッファ層に引続き、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮクラッド層（ｘ＝０．１５，膜厚０．５μｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３）、ｉ−Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ活性層（ｙ＝０．２，膜厚０．２μｍ、アンドープ濃度＜１Ｅ１６／ｃｍ^３）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮクラッド層（ｘ＝０．１５，膜厚０．５μｍ、ドーピング濃度Ｍｇ：１Ｅ１９／ｃｍ^３）、ｐ−ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ、ドーピング濃度Ｍｇ：１Ｅ１９／ｃｍ^３）を順次成長した。

第３の実施の形態は、デバイス構造作製に関しては、エピ層表面上のｐ−コンタクト層にｐ電極、ヒートシンクバンプ、次いで、基板裏面側に、ｎ−コンタクトのｎ−電極を形成した。

図１（ｂ）は本発明の係る光半導体装置の断面構造を表すものである

第４の実施の形態は、光半導体装置の光出力を高く取り出すために、欠陥や不純物の少ない高品質な結晶を実現して、非発光再結合確率を減少させて内部量子効率の高い光半導体装置を構成することが必要である。

図２は本発明に係る前記エピタキシャル結晶の内部量子効率と結晶欠陥密度の関係を表すものである。

内部量子効率が結晶の欠陥密度に関して強い負の相関をもっていることは広く知られている。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の内のＡｌＧａＡｓエピタキシャル結晶に関しては、ＧａＡｓ基板高品質化が進んでおり欠陥密度１０^３ｃｍ^−２レベルに達している。ＩＩＩ族窒化物半導体の内のＩｎＧａＮエピタキシャル結晶、もしくは、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の内のＺｎＯエピタキシャル結晶に関しては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と比較して、欠陥密度が３桁増加した状態においても内部量子効率が減少せず安定であることが広く知られている。

図３はＡｌＧＡｓエピタキシャル結晶の欠陥密度１０^３ｃｍ^−２レベルに関して、発光径４０μｍの発光領域内に欠陥が存在した場合と発光領域が無欠陥領域内に形成して発光させた高効率状態を表すものである。

欠陥密度１０^３ｃｍ^−２レベルの結晶に関して、無欠陥領域内に発光径４０μｍの発光領域を形成できる確率は９９％となり、高いチップ歩留りを実現することができた。

第５の実施の形態は、本発明の係る光半導体装置の高効率、もしくは、高信頼化を実現して高いチップ歩留りを達成する目的のために、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値を超えた場合に、発光部面積の最大値を限定して形成する有効領域を明確にすることが必要である。

図４は欠陥密度Ｄをパラメータにした時のＬＥＤチップ歩留りと発光領域面積の関係を表すものである。欠陥密度Ｄをパラメータとして、ＡｌＧａＡｓ結晶の場合には、１０^５＞Ｄ＞１０（ｃｍ^２）、ＩｎＧａＮ結晶の場合にはＡｌＧａＡｓ結晶に比較して欠陥密度が３桁増加した状態においても内部量子効率が減少せず安定であるため、１０^８＞Ｄ＞１０^４（ｃｍ^−２）の範囲とした。

発光領域面積をＡ（μｍ^２）の場合のチップ歩留りηは、η〜ｅｘｐ（−ＤＡ）で求められる。
ＤＡ＝１の条件においては，η＝３７％となる。

パラメータＤの夫々の値に対してη＝３７％以上が実現できるための発光領域面積の限界領域を明確にした。
（１）前記ＩＩＩ族窒化物半導体の内、ＧａＮ、ＩｎＮ、もしくはＡｌＮからなる混晶化合物半導体にて発光する光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値が１０^４から１０^８ｃｍ^−２へと１桁ずつ増加した場合に、発光部面積の最大値が夫々に対応して１０^７から１０^３μｍ^２以下（円形発光部の場合は発光径３．６ｍｍφから０．０３６ｍｍφ以下）へと１桁ずつ縮小する発光部面積領域に限定されることが明確になった。
（２）前記ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の内、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＯ、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、もしくはＣｄＳからなる混晶化合物半導体にて発光する光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値が１０^４から１０^８ｃｍ^−２へと１桁ずつ増加した場合に、発光部面積の最大値が夫々に対応して１０^７から１０^３μｍ^２以下（円形発光部の場合は発光径３．６ｍｍφから０．０３６ｍｍφ以下）へと１桁ずつ縮小する発光部面積領域に限定されることが明確になった。
（３）前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の内、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、もしくはＩｎＰからなる混晶化合物半導体にて発光する光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値が１０から１０^５ｃｍ^−２へと１桁ずつ増加した場合に、発光部面積の最大値が夫々に対応して１０^７から１０^３μｍ^２以下（円形発光部の場合は発光径３．６ｍｍφから０．０３６ｍｍφ以下）へと１桁ずつ縮小する発光部面積領域に限定されることが明確になった。

本発明に係る光半導体装置：（ａ）エピタキシャル結晶構造と（ｂ）デバイス構造 内部量子効率と結晶欠陥密度の関係 結晶欠陥の有・無の発光面と欠陥写真 欠陥密度Ｄをパラメータにした時のＬＥＤチップ歩留りと発光領域面積の関係 （ＡｌＧａＡｓの場合；１０^５＞Ｄ＞１０（ｃｍ^−２）、ＩｎＧａＮの場合；１０^８＞Ｄ＞１０^４（ｃｍ^−２））

Claims (8)

1. 基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ型電極を夫々設けてある光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値を超えた場合に、発光部面積の最大値を限定して形成してなる光半導体装置。
2. 前記基板として、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ等の種々の単結晶材料を使用する、もしくは、前記単結晶材料を種々の前記単結晶材料の多結晶材料の上に接合形成・一体化した材料を使用する、もしくは、前記単結晶材料を種々の前記単結晶材料の非結晶材料の上に接合形成・一体化した材料を使用する請求項１記載の半導体装置。
3. 基板上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ型電極を夫々設けてある光半導体装置にあって、発光層と基板との間に結晶欠陥低減のための緩衝層（バッファ層）を形成してなる光半導体装置にあって、請求項１、または２記載の半導体装置。
4. 可視光線又は紫外光線を発光可能なＩＩＩ族窒化物半導体、もしくは、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を基板上に形成し、ｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けてある光半導体装置にあって、請求項１、２、または３記載の光半導体装置。
5. 可視光線又は赤外光線を発光可能なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を基板上に形成し、ｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けてある
   光半導体装置にあって、請求項１、２、または３記載の光半導体装置。
6. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体の内、ＧａＮ，ＩｎＮ，もしくはＡｌＮからなる混晶化合物半導体にて発光する光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値が１０^４から１０^８ｃｍ^−２へと１桁ずつ増加した場合に、発光部面積の最大値が夫々に対応して１０^７から１０^３（μｍ^２）以下１桁ずつ縮小するように発光部面積領域を限定して形成してなる光半導体装置にあって、請求項１、２、３、または４記載の光半導体装置。
7. 前記ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の内、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＯ，ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、もしくはＣｄＳからなる混晶化合物半導体にて発光する光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値が１０^４から１０^８ｃｍ^−２へと１桁ずつ増加した場合に、発光部面積の最大値が夫々に対応して１０^７から１０^３（μｍ^２）以下に１桁ずつ縮小するように発光部面積領域を限定して形成してなる光半導体装置にあって、請求項１、２、３、または４記載の光半導体装置。
8. 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の内、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、もしくはＩｎＰからなる混晶化合物半導体にて発光する光半導体装置にあって、発光部に存在する結晶欠陥密度の最小値が１０^１から１０^５ｃｍ^−２へと１桁ずつ増加した場合に、発光部面積の最大値が夫々に対応して１０^７から１０^３（μｍ^２）以下に１桁ずつ縮小するように発光部面積領域を限定して形成してなる光半導体装置にあって、請求項１、２、３、または５記載の光半導体装置