JP2015119153A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型窒化物半導体と電極とのコンタクト抵抗を低減し、発光効率及び信頼性も向上させた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】
ｐ型窒化物半導体層上に酸化物半導体透明導電膜が形成された発光素子において、前記ｐ型窒化物半導体層と前記酸化物半導体透明導電膜との間に、ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＞０）層が形成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として、ｐ型窒化物半導体材料の上に電極を有する発光素子に関する。

近年、半導体発光素子用の半導体材料として、窒化物半導体材料が多く用いられている。窒化物半導体材料は、ＳｉやＳｉＣ、サファイア、酸化物、I I I-Ｖ族化合物を基板とし、その上にＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって形成される。
しかし、ｐ型窒化物半導体材料は移動度が小さいため、横方向への電流拡散が小さい。このため、半導体発光素子に電圧を印加しても、発光領域は電極直下に限定され、半導体発光素子の表面全域に電流が拡散しにくい。したがって、このような半導体発光素子に使用される電極には、ｐ型窒化物半導体材料とオーミック接触が可能で、かつ半導体発光素子が発する光に対して透明な材料として、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）やＺｎＯ（Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）等で構成される（特許文献１参照）。

半導体材料と電極材料がオーミック接触するメカニズムは完全に理解されているわけではないが、その界面におけるキャリアの移動にトンネル効果が作用していると言われている。一般的には半導体材料と電極材料の界面にはキャリアのポテンシャル障壁が存在し、そのポテンシャル障壁をキャリアがトンネル効果により移動することで電流が流れる。このため界面での結晶欠陥の種類や密度、またイオン密度によりポテンシャル障壁の幅やトンネル電流に作用するポテンシャル障壁中の欠陥準位が変わってきて、接触抵抗が変化する。つまり電極のコンタクト抵抗は半導体界面の構造が大きく影響する。

特開２０１１−２４３６１５号公報

ところで、特許文献１に示されるような半導体発光素子においては、発光効率の改善の要求が強まっており、半導体発光素子の動作電圧（順方向電圧）を小さくすることが求められる。そのためには、窒化物半導体と電極とのコンタクト抵抗を低くする必要がある。発光素子の順方向電圧を下げることは、発光効率改善のために重要である。また、駆動時の発熱も減少するため信頼性向上にもつながる。

しかし、ｐ型窒化物半導体は、Ｍｇドーパントが形成するアクセプタ準位が比較的深いため、キャリア濃度がそれほど高くできず、それに起因して電極とのコンタクト抵抗を下げることが難しいという問題があった。
そこで本発明は、ｐ型窒化物半導体と電極とのコンタクト抵抗を低減し、発光効率及び信頼性も向上させた発光素子を提供することにある。

本発明の一態様によれば、ｐ型窒化物半導体層上に酸化物半導体透明導電膜が形成された発光素子において、前記ｐ型窒化物半導体層と前記酸化物半導体透明導電膜との間に、ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＞０）層が形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型窒化物半導体と電極とのコンタクト抵抗を低減し、発光効率及び信頼性も向上させた発光素子を提供できる。

本発明の第1の実施形態に係る発光素子の断面図である。 ｎ型ＩｎＧａＮ層の厚さに対する発光素子の順方向電圧Ｖｆを示す表である。 本発明の第２の実施形態に係る発光素子の断面図である。 Ｎｉ層の厚さに対する発光素子の順方向電圧Ｖｆと光出力を示すグラフである。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各領域の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による発光素子１（半導体発光素子）の断面構造を示している。本実施形態による発光素子１は、シリコンカーバイド、あるいはシリコン等によって形成された基板１１上にｎ型ＧａＮ層（ｎ型窒化物半導体層）１２、活性層１３、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層）１４をこの順に積層し、これをダイシング、またはへき開することにより形成されている。活性層１３は、例えば一般的な多重量子井戸（
ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）構造を有している。ＩｎＧａＮやＧａＮ によって形成され、発光素子１を高効率とするため、数ｎｍ〜数十ｎｍの薄膜を多層積層することによって形成されている。高効率とするためには、優れた光学的結晶性および結晶性を得る必要があり、活性層１３の製造には、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）が用いられる。

ｐ型ＧａＮ層１４上には、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８（ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＞０））が形成される。さらに、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８上には酸化物半導体透明導電膜１５が形成される。酸化物半導体透明導電膜１５は、活性層１３が発する光に対して透明な材料として、例えばＩＴＯやＺｎＯ等で構成される。

特許文献１では、ｐ型窒化物半導体材料とＩＴＯやＺｎＯなどの酸化物半導体透明導電膜がオーミック接触した構造となっている。前述のとおり、ｐ型窒化物半導体材料上にオーミック性電極を形成するときには、他の多くの半導体−金属のオーミック接触と同様に、トンネル電流が大きく寄与すると理解される。トンネル電流が、半導体−金属界面のポテンシャル障壁を通過することで電流が流れるが、その界面に存在する結晶欠陥もまたトンネル電流に大きく寄与する。

ＩＴＯやＺｎＯなどの酸化物半導体透明導電膜は、本来半導体でありバンドギャップを有している。また、一般的な製法では酸素欠損に起因するｎ型半導体特性となる。故にｐ型窒化物半導体上にＩＴＯやＺｎＯなどを形成すると、ｐ型窒化物半導体上にｎ型半導体を形成することになる。このとき窒化物半導体機能層に発光のための駆動電流を流す場合、前記ｐ型窒化物半導体と酸化物半導体透明導電膜の界面では、ｎ型半導体からｐ型半導体に電流を流すため、通常の拡散電流機構では電流は流れず、やはり接合界面に存在するポテンシャル障壁を通過するトンネル電流による電流が流れると考えられる。よって前述と同様その界面に存在する結晶欠陥もまたトンネル電流に大きく寄与する。特にＩＴＯやＺｎＯなどの場合、バンドギャップを持つ点と金属よりキャリア密度が低い点で、界面に存在する結晶欠陥がトンネル電流に影響する割合が大きくなる。

そのため、本発明に係る発光素子１においては、ｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５との間にｎ型ＩｎＧａＮ層１８を形成することで、トンネル電流に影響する前記結晶欠陥に着目し、接触抵抗を飛躍的に低下できる構造を実現した。

図２は、第１の実施形態に係る発光素子１において、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８の厚さ（膜厚）に対する発光素子１の順方向電圧Ｖｆの値を示したものである。比較例１は発光素子１の比較対象として、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８の厚さを０、すなわちｎ型ＩｎＧａＮ層１８を形成しない構造である。サンプル１は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８の厚さを１０ｎｍとし、サンプル２はｎ型ＩｎＧａＮ層１８の厚さを２０ｎｍとした。比較例１、サンプル１及びサンプル２のｐ型ＧａＮ層１４は１８０ｎｍ、酸化物半導体透明導電膜１５は２００ｎｍで形成しており、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８の厚さのみが異なっている。図２を見ると、比較例１のＶｆは３．１Ｖであるのに対し、サンプル１のＶｆは３．０Ｖと比較例１よりも０．１Ｖ低い値を示している。

通常であれば、ｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５の界面（ポテンシャル障壁内）において、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８を挿入すると、イオン電荷の補償効果によってポテンシャル障壁の幅（空乏層）は広がると考えられ、トンネル電流が流れ難くなり、Ｖｆは上昇するはずである。しかし実際にはＶｆは低下している。これは、ｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５の界面（ポテンシャル障壁内）において、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８の挿入により形成される欠陥が、移動するキャリアに有効に働いていると考えられる。

一方で、サンプル２のＶｆは、４．０Ｖと比較例１よりも大きくなっている。これは、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８を厚くしていくと、空乏層が広がりすぎてトンネル確率が減少すること及びバルクとしての特性が出ることにより、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８とｐ型ＧａＮ層１４の界面によるｐｎ接合の抵抗が発生すると考えられるためである。
そして、このＶｆが上昇していく傾向は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８を１０ｎｍよりも大きくした場合に見られた。しかし、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８が１ｎｍ未満である場合はＶｆ低減効果が得られない。そのため、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８の厚さは、ｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５界面（ポテンシャル障壁内）でのトンネル電流が有効に働く１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８におけるＩｎの組成は、０．０５以上、０．４以下であることが好ましい。これはｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５の界面（ポテンシャル障壁内）におけるトンネル電流にＩｎが重要であるためと考えられる。Ｉｎが０．０５未満であると、Ｖｆ低減効果が生じない。一方、Ｉｎが０．４を超えると同様にＶｆ低減効果が得られない。これは、Ｉｎが０．４を超えると、結晶品質が低下して、トンネル電流に有効な欠陥が少なくなると考えられるためである。

また、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８は、ｎ型である場合のみＶｆ低減効果が得られる。言い換えると、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８をｐ型のＩｎＧａＮ層とした場合にはＶｆ低減効果は得られない。これはＶｆ低減に影響している界面欠陥（ｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５のポテンシャル障壁内の欠陥）がｎ型ドーパント（ＳｉやＳｅ）に起因することを示唆している。
なお、実施形態１の構造におけるｎ型ＩｎＧａＮ層１８は、Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＧａＮ層で形成している。

酸化物半導体透明導電膜１５上にはＡｌやＡｕ等からなる外部接続用のｐ側電極１６が接続されており、発光素子１の外部の正電源から正孔（ホール）がｐ側電極１６に供給される。これにより、ｐ型ＧａＮ層１４から活性層１３に正孔が供給される。
基板１１の裏面側にも外部接続用のｎ側電極１７が接続されており、発光素子１の外部の負電源から電子がｎ側電極に供給される。これにより、基板１１を経由してｎ型ＧａＮ層１２から活性層１３に電子が供給される。
ｎ型ＧａＮ層１２から供給された電子とｐ型ＧａＮ層１４から供給された正孔とが活性層１３で再結合して光を発生する。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態による発光素子１の断面構造を示している。第１の実施形態と異なる点は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８と酸化物半導体透明導電膜１５との間にＮｉ層１９が形成されている点のみである。その他の構造は第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

このように、ｎ型ＩｎＧａＮ層１８と酸化物半導体透明導電膜１５間にＮｉ層１９を介在させることで、発光素子１のＶｆをさらに低減させることができる。これも実施形態１で説明したのと同様に、ｐ型ＧａＮ層１４と酸化物半導体透明導電膜１５の界面（ポテンシャル障壁内）でのキャリア移動に有効に働いているためと考えられる。なお、Ｎｉ層１９をPt層としても同様の効果を生ずるが、以下Ｎｉ層を用いた場合を例として説明する。
具体的には、図２において説明したサンプル１のｎ型ＩｎＧａＮ層１８と酸化物半導体透明導電膜１５間に１．２ｎｍのＮｉ層を介在させた場合、発光素子１のＶｆは２．９５Ｖであり、Ｎｉ層を介在させない場合（３．０Ｖ）よりも０．０５Ｖ低い値であった。

図４は、Ｎｉ層１９の厚さ（膜厚）に対する発光素子１の順方向電圧Ｖｆと光出力の関係を表したグラフである。Ｖｆが最も低い値（２．９５Ｖ）を示したのは、Ｎｉ層１９の厚さが０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であった。Ｎｉ層１９の厚さが０．５ｎｍ未満の場合、Ｎｉ層１９を挿入した効果が小さいためにＶｆの低減効果も小さい。一方で、１０ｎｍを超えるとＶｆが上昇する。これは、Ｎｉ層１９がバルクとしての特性が出ることにより、Ｎｉ層１９とｎ型ＩｎＧａＮ層１８の界面による接触抵抗と、Ｎｉ層１９と酸化物半導体透明導電膜１５の界面による接触抵抗が発生すると考えられるためである。つまり、Ｎｉ層１９は、トンネル電流が有効に働く０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下が好ましい。

但し、Ｎｉ層１９の厚さが２ｎｍを超えると、Ｎｉ層１９挿入による光透過率の減少により発光素子１の光出力が徐々に低下する。そのため、Ｎｉ層１９の最も好ましい厚さは０．５ｎｍ〜２ｎｍである。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１・・・発光素子
１１・・・基板
１２・・・ｎ型ＧａＮ層（ｎ型窒化物半導体層）
１３・・・活性層
１４・・・ｐ型ＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層）
１５・・・酸化物半導体透明導電膜
１６・・・ｐ側電極
１７・・・ｎ側電極
１８・・・ｎ型ＩｎＧａＮ層
１９・・・Ｎｉ層

Claims (6)

1. ｐ型窒化物半導体層上に酸化物半導体透明導電膜が形成された発光素子において、
   前記ｐ型窒化物半導体層と前記酸化物半導体透明導電膜との間に、ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＞０）層が形成された発光素子。
2. 基板と、
   前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物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ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に形成された酸化物半導体透明導電膜と、を備え、
   前記ｐ型窒化物半導体層と前記酸化物半導体透明導電膜とによって形成されるポテンシャル障壁内に、ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＞０）層が形成された発光素子。
3. 前記ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さが１〜１０ｎｍであることを特徴とした請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のｘは０．０５以上、０．４以下であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記ｎ型Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と前記酸化物半導体透明導電膜の間に０．５〜１０ｎｍのＮｉ層を形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 前記Ｎｉ層の厚さは０．５〜２ｎｍであることを特徴とした請求項５に記載の発光素子。
   
   
   

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