JP2015162631A - Light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として、窒化物半導体材料を有する発光素子に関する。 The present invention mainly relates to a light emitting device having a nitride semiconductor material.
近年、半導体発光素子(LED)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)。
In recent years, a nitride semiconductor material is often used as a semiconductor material for a semiconductor light emitting device (LED). The nitride semiconductor material is made of Si, SiC, sapphire, oxide, or II I-V group compound as a substrate, and is formed thereon by MOCVD or MBE.
However, since the p-type nitride semiconductor material has low mobility, current diffusion in the lateral direction is small. For this reason, even if a voltage is applied to the semiconductor light emitting element, the light emitting region is limited to a position immediately below the electrode, and current is difficult to diffuse across the entire surface of the semiconductor light emitting element. Therefore, for an electrode used in such a semiconductor light emitting device, for example, ITO (Indium-Tin) can be used as a material that can make ohmic contact with a p-type nitride semiconductor material and is transparent to light emitted from the semiconductor light emitting device. -Oxide), ZnO (Zinc-Oxide), or the like (see Patent Document 1).
一方、図1に示したように、次世代のLED構造として、p型窒化物半導体層の上にn型窒化物半導体をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層(ウィンドウ層)として用いるLEDが開発されている。 On the other hand, as shown in FIG. 1, as a next-generation LED structure, an LED that uses an n-type nitride semiconductor as a current diffusion layer (window layer) by joining a p-type nitride semiconductor layer with a tunnel junction has been developed. Has been.
p型窒化物半導体層は、エピタキシャル成膜の直後は残留水素によりMgが不活性(Hallを供給しない)の状態であるため、通常、水素を含まない雰囲気中のアニーリングによって、Mgを活性化する必要がある。このとき、p型窒化物半導体層の膜厚は通常200nm以下のため、p型窒化物半導体層中の水素は表面から外部へ脱離し除去される。
しかし、図1のような従来例に係る構造においては、p型窒化物半導体層上にn型窒化物半導体層を形成していると、p型窒化物半導体層中の水素がn型窒化物半導体層を通って外部に出ることは非常に難しい。この現象は十分理解されていないが、p型窒化物半導体層中の水素はn型窒化物半導体層を通って出てくるのではなく、メサ端面(図1におけるp型窒化物半導体層15の側面)から主に外部へ脱離し除去される。
Since the p-type nitride semiconductor layer is in an inactive state (no supply of Hall) due to residual hydrogen immediately after epitaxial film formation, it is usually necessary to activate Mg by annealing in an atmosphere that does not contain hydrogen. There is. At this time, since the film thickness of the p-type nitride semiconductor layer is usually 200 nm or less, hydrogen in the p-type nitride semiconductor layer is desorbed from the surface to the outside and removed.
However, in the structure according to the conventional example as shown in FIG. 1, when the n-type nitride semiconductor layer is formed on the p-type nitride semiconductor layer, the hydrogen in the p-type nitride semiconductor layer is changed to the n-type nitride. It is very difficult to go outside through the semiconductor layer. Although this phenomenon is not fully understood, the hydrogen in the p-type nitride semiconductor layer does not come out through the n-type nitride semiconductor layer, but is a mesa end face (of the p-type
このとき、p型窒化物半導体層中の水素が脱離するまでのp型窒化物半導体層内における水素の移動(拡散)距離は、ウィンドウ層としてn型窒化物半導体層を用いないLEDに比べて長くなる。すなわち、p型窒化物半導体層の上にn型窒化物半導体層を形成しないLEDにおいては、アニーリングの際、p型窒化物半導体層の上面は外部に露出されているため、その上面全体からも残留水素が脱離されるが、p型窒化物半導体層の上面にn型窒化物半導体層を形成すると、上述した通り、残留水素はp型窒化物半導体層のメサ端面からしか脱離しないからである。 At this time, the movement (diffusion) distance of hydrogen in the p-type nitride semiconductor layer until hydrogen in the p-type nitride semiconductor layer is eliminated is larger than that of an LED not using an n-type nitride semiconductor layer as a window layer. Become longer. That is, in an LED in which an n-type nitride semiconductor layer is not formed on a p-type nitride semiconductor layer, the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer is exposed to the outside during annealing. Residual hydrogen is desorbed. However, if an n-type nitride semiconductor layer is formed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer, as described above, the residual hydrogen is desorbed only from the mesa end surface of the p-type nitride semiconductor layer. is there.
そのため、図1の従来例に係る構造においては、アニーリングの際は長時間の熱処理が必要になる。しかし、熱処理温度は水素が移動するために400℃程度以上が必要であり、その温度で長時間熱処理を実施するとInGaNを含む超格子で形成された発光層の構造に劣化が生じてしまう。具体的には発光効率が低下したり、発光波長の電流による変化が大きくなったり、信頼性(通電による劣化特性)が悪化する。 Therefore, in the structure according to the conventional example of FIG. 1, a long-time heat treatment is required for annealing. However, the heat treatment temperature needs to be about 400 ° C. or higher because hydrogen moves, and if the heat treatment is performed at that temperature for a long time, the structure of the light emitting layer formed of the superlattice containing InGaN is deteriorated. Specifically, the light emission efficiency decreases, the change in the light emission wavelength due to the current increases, and the reliability (deterioration characteristics due to energization) deteriorates.
そこで本発明は、p型窒化物半導体層上にn型窒化物半導体層をトンネルジャンクションで接合(トンネル接合)して電流拡散層(ウィンドウ層)として用いるLEDにおいて、p型窒化物半導体層中のMgを活性化する熱処理を効率的に行う構造を提案する。 Therefore, the present invention provides an LED in which an n-type nitride semiconductor layer is joined to a p-type nitride semiconductor layer by a tunnel junction (tunnel junction) and used as a current diffusion layer (window layer). A structure for efficiently performing heat treatment for activating Mg is proposed.
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第1のn型窒化物半導体層と、前記第1のn型窒化物半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されたp型窒化物半導体層と、前記p型窒化物半導体層の上面に配置され、前記p型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第2のn型窒化物半導体層と、前記第2のn型窒化物半導体層上に配置され、前記p型窒化物半導体層と電気的に接続されるp側電極と、前記第1のn型窒化物半導体層と電気的に接続されるn側電極と、を備え、前記p型窒化物半導体層の前記上面のいずれの領域においても、前記第2のn型窒化物半導体層の上面から基板方向に少なくとも前記第2のn型窒化物半導体層を貫く深さに形成されたメサ端面までの距離が100μm以下であることを特徴とする発光素子が提供される。 According to one aspect of the present invention, a substrate, a first n-type nitride semiconductor layer disposed on the substrate, an active layer disposed on the first n-type nitride semiconductor layer, A p-type nitride semiconductor layer disposed on the active layer and a second n-type nitride disposed on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer and having a junction with the p-type nitride semiconductor layer as a tunnel junction A semiconductor layer; a p-side electrode disposed on the second n-type nitride semiconductor layer and electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer; and the first n-type nitride semiconductor layer electrically N-side electrode connected to each other, and in any region of the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer, at least the second in the substrate direction from the upper surface of the second n-type nitride semiconductor layer The distance to the end face of the mesa formed at a depth penetrating the n-type nitride semiconductor layer is 100 μm Emitting device is provided that equal to or less than.
本発明によれば、p型窒化物半導体層上にn型窒化物半導体層をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層(ウィンドウ層)として用いるLEDにおいて、発光効率が向上し、発光波長の電流による変化が少なく、信頼性が高いLEDを提供できる。 According to the present invention, in an LED that uses an n-type nitride semiconductor layer as a current diffusion layer (window layer) by joining an n-type nitride semiconductor layer on a p-type nitride semiconductor layer with a tunnel junction, the light emission efficiency is improved and the current of the emission wavelength is increased. An LED with little change and high reliability can be provided.
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。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and ratios of thicknesses of the respective regions are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
(第1の実施形態)
図2は、本発明の第1の実施形態による発光素子1の平面図である。発光素子1を上面から見ると、横長の長方形で構成されている。また、図3は、図2のA−A線における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上にバッファ層12、第1のn型窒化物半導体層13、活性層14、p型窒化物半導体層15、第2のn型窒化物半導体層16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14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14の製造には、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)が用いられる。
(First embodiment)
FIG. 2 is a plan view of the
p型窒化物半導体層15の上面には、第2のn型窒化物半導体層16が配置されるが、p型窒化物半導体層15と第2のn型窒化物半導体層16は、トンネルジャンクションが形成されるよう構成される。例えば、p型窒化物半導体層15としては、170nmのp型GaN層の上に、5nmのp型InGaN層を形成する。p型GaN層及びp型InGaN層のドーピング密度は1E+19cm−2以上が好ましい。そして、p型InGaN層上には、5nmのn型InGaN層の上に1000nmのn型GaN層を形成した第2のn型窒化物半導体層16が配置される。n型InGaN層及びn型GaN層のドーピング密度は1E+19cm−2以上が好ましい。
A second n-type
第2のn型窒化物半導体層16上には前記p型窒化物半導体層15と電気的に接続されるp側電極17が形成される。また、n側電極18は、第1のn型窒化物半導体層13の上面の一部を露出させ、当該露出面上に電気的に接続されるように形成されている。
A p-
図2に示すLは、A−A線(発光素子1の短手方向における中心線)から第2のn型窒化物半導体層16の周縁部が形成するメサ端面21までの距離を示している。ここではLは100μm以下である。このように構成することで、平面視におけるp型窒化物半導体層15上面のいずれの領域においても、第2のn型窒化物半導体層16の周縁部が形成するメサ端面21まで最短距離で結んだ場合、100μm以下となる。ここで重要なのは、平面視におけるp型窒化物半導体層15上面のいずれかの領域から第2のn型窒化物半導体層16の周縁部が形成するメサ端面21まで最短距離で結んだ場合に100μm以下となる通路が1つ以上あればよい。このため、図2において発光素子1は横長の長方形であるが、長手方向の長さは制限されない。
L shown in FIG. 2 indicates the distance from the line AA (the center line in the short direction of the light emitting element 1) to the
上述した通り、p型窒化物半導体層の上にn型窒化物半導体をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層(ウィンドウ層)として用いる発光素子では、p型窒化物半導体層内のMgを活性化させるために水素を脱離する必要がある。しかし、水素の脱離は主にメサ端面から行われるため、水素はp型窒化物半導体層の積層面内方向(半導体層の成長方向と垂直面内)に拡散移動することになる。p型窒化物半導体層上にn型窒化物半導体を形成しない従来より見られる発光素子は、p型窒化物半導体層上面において、水素の脱離を遮るn型窒化物半導体が存在しないため、p型窒化物半導体層上面からも水素脱離することができる。そのため、p型窒化物半導体層の上にn型窒化物半導体層をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層(ウィンドウ層)として用いる発光素子は、p型窒化物半導体層上面からも水素脱離する従来の発光素子よりも拡散移動距離が長くなるため、活性化に要する熱処理時間が長時間になる。 As described above, in a light-emitting device that uses an n-type nitride semiconductor bonded to a p-type nitride semiconductor layer by a tunnel junction as a current diffusion layer (window layer), Mg in the p-type nitride semiconductor layer is activated. In order to achieve this, it is necessary to desorb hydrogen. However, since hydrogen is desorbed mainly from the end face of the mesa, hydrogen diffuses and moves in the direction in which the p-type nitride semiconductor layer is stacked (in the plane perpendicular to the growth direction of the semiconductor layer). In a conventional light emitting device that does not form an n-type nitride semiconductor on a p-type nitride semiconductor layer, there is no n-type nitride semiconductor that blocks hydrogen desorption on the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer. Hydrogen can also be desorbed from the upper surface of the type nitride semiconductor layer. Therefore, a light-emitting element that is used as a current diffusion layer (window layer) in which an n-type nitride semiconductor layer is joined to a p-type nitride semiconductor layer by a tunnel junction is also desorbed from the top surface of the p-type nitride semiconductor layer. Since the diffusion movement distance is longer than that of the conventional light emitting element, the heat treatment time required for activation becomes longer.
ここでp型窒化物半導体層15のいずれの領域においても、メサ端面21までの距離が100um以下となるように形成することで、p型窒化物半導体層15内の残留水素の拡散移動距離を100um以下とすることができるので、アニーリングの際の熱処理時間を30分以内にすることができる。これにより、活性層14の品質を低下させることが無く、熱処理を行うことができることを見出した。このとき、量子井戸構造により形成される活性層の場合、薄い積層構造では熱処理によるInやGaの拡散により発光機能が低下するため、井戸層の厚さは2nm以上であることが好ましい。
Here, in any region of the p-type
図4及び図5は、第1の実施形態に係る発光素子の変形例である。図4は、第1の実施形態の変形例に係る発光素子の平面図である。また図5は、図4のB−B線における断面図である。すなわち、発光素子1が大きい場合は、その中心領域から第2のn型窒化物半導体層16周縁のメサ端面(第1のメサ端面)21までの距離が長くなる。その場合は、第2のn型窒化物半導体層16周縁よりも内側の領域に孔20を形成する。孔20は、第2のn型窒化物半導体層16の上面からp型窒化物半導体層15及び活性層14を貫通し、第1のn型窒化物半導体層13の上面が露出する深さに形成される。このように孔20を形成することで、第2のn型窒化物半導体層16周縁よりも内側の領域に、p型窒化物半導体層15よりも深いメサ端面(第2のメサ端面)22が形成され、そこからアニーリングにより残留水素が効果的に脱離される。そのため、活性層14の品質を低下させることがなく、熱処理を行うことができる。そのため、孔20は、p型窒化物半導体層15を貫通する深さに形成されることが望ましい。
4 and 5 are modifications of the light emitting device according to the first embodiment. FIG. 4 is a plan view of a light-emitting element according to a modification of the first embodiment. 5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. That is, when the light-emitting
このように、孔20を形成することで、第2のn型窒化物半導体層16周縁よりも内側の領域に孔20によるメサ端面(第2のメサ端面)22が形成される。そのため、図2と同様に、平面視におけるp型窒化物半導体層15上面のいずれの領域においても、第1のメサ端面21または第2のメサ端面22までの最短距離はL(100μm)以下となる。
Thus, by forming the
また、図6に示すように、第2のn型窒化物半導体層16周縁よりも内側の領域に孔20は複数形成されていてもよい。孔20は円形に限られるものではないが、孔20が発光素子1の上面から見て略円形であり、それぞれの略円形の孔20間の距離(すなわち、複数の第2のメサ端面22の互いに近接した距離)及び、孔20と第2のn型窒化物半導体層16周縁のメサ端面21までの距離(すなわち、第1のメサ端面に最も近い側の第2のメサ端面から第1のメサ端面までの距離)が150um以下、さらに好ましくは50um以下である構造の場合に、最も発光効率の高いLEDが得られた。孔20を図6に示すような略円形とした場合は、図4に示した発光装置1に形成された孔20よりも、1つあたりの孔20が形成するメサ端面の面積が小さくなる。そのため、p型窒化物半導体層15からの残留水素を脱離しやすくするためには、図6に示す孔20間の距離及び、孔20と第2のn型窒化物半導体層16周縁のメサ端面21までの距離は、図4に示した距離(2L)よりも短くすることが好ましい。 また、図4に示したようなp側電極とn側電極間に大きな孔20を形成するよりも、図6に示したように、比較的小さい孔20を一定間隔を設けるように複数形成するほうが、電流拡散効果と発光素子1の光取り出し効率が向上する。 これは、p側電極とn側電極間に大きな孔20を形成すると、当該孔20により電流通路が遮られ、電流は当該孔を避けるように迂回が必要になる。しかし、図6に示したように、比較的小さい孔20を、一定間隔を設けて複数形成することで、p側電極とn側電極間に流れる電流通路は複数の孔20間をすり抜けて形成されるため、発光素子1の上面から見て面内均一に電流を拡散させることが可能となるからである。 さらに、孔20からは活性層14からの光が取り出されるため、図6に示したように、比較的小さい孔20を、一定間隔を設けるように複数形成するほうが、発光素子1の光取り出し効率が向上することになる。
Further, as shown in FIG. 6, a plurality of
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態による発光素子1の断面図である。第1の実施形態と異なるのは、孔20の深さである。図5において説明したように、第1の実施形態における発光素子1に形成される孔20は、第1のn型窒化物半導体層13の上面が露出する深さに形成されるが、第2の実施形態による発光素子1に形成される孔20は、p型窒化物半導体層15の上面が露出する深さに形成する。このような構成により、孔20を通じて外部に露出したp型窒化物半導体層15の上面からアニーリングによって残留水素を脱離させることが可能となる。なお、本発明のその他の構造は、第1の実施形態の変形例と同じであり、例えば平面構造としては、図4及び図6の構造が採用される。 第2の実施形態による発光素子1も第1の実施形態の変形例に係る発光素子と同様の効果が得られる。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the
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。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1・・・発光素子
11・・・基板
12・・・バッファ層
13・・・第1のn型窒化物半導体層
14・・・活性層
15・・・p型窒化物半導体層
16・・・第2のn型窒化物半導体層(ウィンドウ層)
17・・・p側電極
18・・・n側電極
20・・・孔
21・・・メサ端面(第1のメサ端面)
22・・・メサ端面(第2のメサ端面)
DESCRIPTION OF
17 ... p-
22 ... mesa end face (second mesa end face)
Claims (7)
前記基板上に配置された第1のn型窒化物半導体層と、
前記第1のn型窒化物半導体層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されたp型窒化物半導体層と、
前記p型窒化物半導体層の上面に配置され、前記p型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第2のn型窒化物半導体層と、
前記第2のn型窒化物半導体層上に配置され、前記p型窒化物半導体層と電気的に接続されるp側電極と、
前記第1のn型窒化物半導体層と電気的に接続されるn側電極と、
を備え、
前記p型窒化物半導体層の前記上面のいずれの領域においても、
前記第2のn型窒化物半導体層の上面から基板方向に少なくとも前記第2のn型窒化物半導体層を貫く深さに形成されたメサ端面までの距離が100μm以下であることを特徴とする発光素子。 A substrate,
A first n-type nitride semiconductor layer disposed on the substrate;
An active layer disposed on the first n-type nitride semiconductor layer;
A p-type nitride semiconductor layer disposed on the active layer;
A second n-type nitride semiconductor layer disposed on an upper surface of the p-type nitride semiconductor layer and having a junction with the p-type nitride semiconductor layer as a tunnel junction;
A p-side electrode disposed on the second n-type nitride semiconductor layer and electrically connected to the p-type nitride semiconductor layer;
An n-side electrode electrically connected to the first n-type nitride semiconductor layer;
With
In any region of the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer,
The distance from the upper surface of the second n-type nitride semiconductor layer to the mesa end surface formed at least at a depth penetrating the second n-type nitride semiconductor layer in the substrate direction is 100 μm or less. Light emitting element.
前記第2のn型窒化物半導体層の上面における周縁部において、
前記第2のn型窒化物半導体層と前記p型窒化物半導体層の側面部によって形成される第1のメサ端面と、
前記第2のn型窒化物半導体層の上面から基板方向に少なくとも前記第2のn型窒化物半導体層を貫く深さに形成された孔を少なくとも1つ有し、
前記孔の内側面に形成される第2のメサ端面と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 The mesa end face is
In the peripheral portion on the upper surface of the second n-type nitride semiconductor layer,
A first mesa end surface formed by a side surface portion of the second n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer;
At least one hole formed at a depth penetrating at least the second n-type nitride semiconductor layer from the upper surface of the second n-type nitride semiconductor layer toward the substrate;
A second mesa end surface formed on the inner surface of the hole;
The light emitting device according to claim 1, comprising:
7. The light emitting device according to claim 1, wherein a film thickness of the well layer forming the active layer is 2 nm or more.
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