JP2016195166A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】リーク電流の発生を抑止して発光効率を高めた半導体発光素子を実現する。
【解決手段】 n型半導体層とp型半導体層の間に、発光層及び障壁層が交互に積層されてなる活性層を有する半導体発光素子であって、障壁層のうちp型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、最終障壁層とは異なる層であって、p型半導体層よりはp型不純物濃度が低い保護層を有し、保護層の上面にp型半導体層が形成されている。
【選択図】 図10
【解決手段】 n型半導体層とp型半導体層の間に、発光層及び障壁層が交互に積層されてなる活性層を有する半導体発光素子であって、障壁層のうちp型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、最終障壁層とは異なる層であって、p型半導体層よりはp型不純物濃度が低い保護層を有し、保護層の上面にp型半導体層が形成されている。
【選択図】 図10
Description
本発明は、n型半導体層とp型半導体層の間に、発光層及び障壁層が交互に積層されてなる活性層を有する半導体発光素子、及びその製造方法に関する。
紫外光を発する半導体発光素子には、露光、キュア、殺菌、医療、センサ用途といった幅広い応用製品があり、今後大きな市場が期待される。
紫外光を発する半導体発光素子としてInGaN系のものが知られている。従来のInGaN系の半導体発光素子は、サファイア等からなる成長基板上に、n型半導体層と、障壁層および発光層が交互に積層されてなる活性層と、p型半導体層とを積層してなる半導体層を成長させ、基板上に塗布したハンダを利用して成長基板上の半導体層と支持基板とを貼り合わせた後、レーザリフトオフにより成長基板を剥離して作成されるものが主流である。
現在普及しているInGaN系の半導体発光素子の大部分は、サファイア基板上に、GaN層及びInGaN層をエピタキシャル成長させることにより形成される。このとき、サファイアと、GaN及びInGaNでは格子定数が異なるため、成長層内に高密度の転位と呼ばれる結晶欠陥が存在することが知られている(例えば特許文献1、2参照)。
N. Kuroda, C. Sasaoka, A. Kimura, A. Usui and Y. Mochizuki,"Precise control of pn-junction profile for GaN-based LD structures using GaN substrates with low dislocation densities", J. Cryst. Growth 189/190 (1998) 551
成長基板として、サファイア基板に代えて低転位GaN基板を用いた場合、その上のエピタキシャル層も基板と同様に低転位密度とすることは可能である。しかし、レーザリフトオフに使用されるレーザ光の波長は300nm以下のものが主流であるところ、このレーザ光はGaN基板を透過しないため、GaN基板を剥離することが困難である。このように、GaN基板を成長基板として使用する方法では、高出力の紫外光発光素子を作成することが困難であるため、成長基板としてサファイア基板を用いることが主流となっている。
しかし、上述したように、InGaN系の半導体発光素子は、格子定数の異なるサファイア基板上に、GaN層及びInGaN層をエピタキシャル成長しているため、転位と呼ばれる結晶欠陥が存在する。本発明者は、鋭意研究により、この転位に起因してリークが発生し、半導体発光素子の素子特性(例えばIr特性)を低下させていることを突き止めた。
図1は、従来方法で製造したInGaN系の半導体発光素子60に対し、p側パッド電極61とn側パッド電極62の間に微小電流を流したときの発光の様子を示す写真である。初期時においては発光箇所が見受けられないが、供給電流量を徐々に増加させていくと、青白く発光する箇所63が散見されるようになる。特に、p側パッド電極61の周辺において発光箇所63が多く現れている。
図2は、一の発光箇所63における半導体発光素子60の断面をTEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)にて撮影した写真である。(b)は(a)を拡大したものである。
図2によれば、発光箇所63の位置において、半導体発光素子60に転位65が生じていることが確認される。図2(b)は、活性層67とp型半導体層68が形成されている箇所を拡大したものであり、この箇所に転位65が生じていることが分かる。本発明者は、従来方法によって製造された半導体発光素子60のIr特性が低下している原因は、この転位65を原因としたリークの発生によるものではないかと推察した。より詳細には、転位65に起因して何らかのピット(凹部)が形成され、このピットを介してp型半導体層68に含まれるp型不純物であるMgが活性層67やn型半導体層へと拡散することで、pn接合が破壊されてリークが生じ、図1の写真のような発光箇所63が形成されたものと推察した。
図3は、転位密度の異なる2つのInGaN系の半導体発光素子に対して、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry:二次イオン質量分析法)によって深さ方向にMg濃度を測定したグラフである(上記非特許文献1参照)。図3において、(a)が、転位密度が1×109/cm2オーダーの素子の結果を示すグラフであり、(b)が、転位密度が6×107/cm2の素子の結果を示すグラフである。
図3によれば、(a)の結果においてp型半導体層68に起因するMgの信号が、深さ1μm〜2.5μm付近で現れており、これは活性層67内にMgが侵入していることを示唆している。これに対し、(b)の結果では活性層67の位置においてMgは検出限界値(バックグラウンドレベル)に留まっており、活性層67内にはMgが侵入していないことが分かる。つまり、転位密度が高い素子においては、p型半導体層68側から活性層67内にMgが拡散していることが分かる。
図4は、従来と同様の構成を有するInGaN系半導体発光素子60において、活性層67を形成した直後における表面状態を撮影したSEM写真である。また、図5は、図4の状態の素子の断面構造を示す模式的な図面である。この発光素子60は、成長基板11としてサファイア基板を用い、成長基板11上にアンドープ層13及びn型半導体層21を成長させた後、膜厚20nmのAlGaN層からなる障壁層25(25a,25b,25c,25d,25e,25f)と、膜厚10nmのInGaN層からなる発光層23(23a,23b,23c,23d,23e)を交互に積層してなる構成である。なお、障壁層25fが最終障壁層に対応する。
より詳細には、炉内温度を820℃とし、所定のキャリアガス及びアンモニアを供給した状態で、トリメチルアルミニウム(TMA)の流量を1.6μmol/min、トリメチルガリウム(TMG)の流量を10μmol/minとして障壁層25を形成し、同様に所定のキャリアガス及びアンモニアを供給した状態で、トリメチルインジウム(TMI)の流量を2μmol/min、TMGの流量を10μmol/minとして発光層23を形成するステップを交互に行った。そして、最終障壁層25fを形成した後、p型半導体層を形成することなく、温度を室温まで低下させた状態で表面状態を撮影した写真が図4である。
図4によれば、最終障壁層25fの表面には複数のピット(凹部)71が形成されていることが確認される。特に(b)の写真からピット71の径(直径)は概ね70〜90nmと推察され、GaN系において安定的に結晶の出やすい方位面の傾斜角度が約60°であることから鑑みれば、ピット71の径と深さはほぼ等しいと推察される。各発光層23の膜厚を10nmとし、各障壁層25の膜厚を20nmとしたことに鑑みれば、ピット71は最終障壁層25fの下層に位置する発光層23e、障壁層25e、発光層23d、及び障壁層25d程度まで達していると推察される。図5では、このようなピット71の状態を模式的に表示している。
図6は、従来と同様のInGaN系の半導体発光素子に関し、820℃の温度下で活性層67を形成した後、2分間でp型半導体層68を成長させる温度である1025℃まで昇温させた後、p型半導体層68を成長させることなく室温まで温度を低下させたときの表面状態を撮影したSEM写真である。図6は、図4と同様に、(a)が倍率1万倍の写真を示し、(b)が倍率10万倍の写真を示している。また、図7は、図6の状態の素子の断面構造を示す模式的な図面である。
図6(b)によれば、ピット71の径(直径)は概ね20〜40nmと推察され、図4の状態よりもピット71の径が小さくなっていることが分かる。これは、温度が高くなることで、エピタキシャル成長のモードが、垂直方向に成長するモードから水平方向に成長するモード、すなわちピット71を埋め込むモードに変化した結果、ピット71の一部が埋められ、径及び深さが小さくなったものと推察される。より詳細には、温度を上げている間、熱平衡を保っている層表面の原料がエッチングされて動き、当該エッチングされた材料や炉内のガスがピット71内に入って水平方向に成長したことで、ピット71の一部(図7における領域71a)が埋められたものと考えられる。
上述の推察に従い、ピット71の深さが径とほぼ等しいとすると、図6におけるピット71の深さは約20〜40nmと推察されるため、ピット71は、最終障壁層25fの下層に位置する発光層23eに達しており、一部のピット71は障壁層25eにも達していると考えられる。
つまり、この状態でp型半導体層68を形成すると、p型半導体層68に含まれるp型不純物が、ピット71を介して発光層23eに達し、一部のp型不純物は更に発光層23eの下層の障壁層25eにも達すると考えられる。本発明者は、以上の検討の下、かかるピット71の存在によってp型不純物が活性層67内に侵入し、pn接合が破壊されたことで、図1の写真に示すようなリーク電流が発生していることを突き止めた。
本発明は、上記の検討に鑑み、リーク電流の発生を抑止して発光効率を高めた半導体発光素子を実現することを目的とする。
本発明は、n型半導体層とp型半導体層の間に、発光層及び障壁層が交互に積層されてなる活性層を有する半導体発光素子であって、
前記障壁層のうち前記p型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、前記最終障壁層とは異なる層であって、前記p型半導体層よりはp型不純物濃度が低い保護層を有し、
前記保護層の上面に前記p型半導体層が形成されていることを特徴とする。
前記障壁層のうち前記p型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、前記最終障壁層とは異なる層であって、前記p型半導体層よりはp型不純物濃度が低い保護層を有し、
前記保護層の上面に前記p型半導体層が形成されていることを特徴とする。
上述した本発明者の鋭意研究により、従来の製造方法によれば、p型半導体層を形成する直前において活性層を構成する発光層内にピット(凹部)が達しており、このピットを通じてp型不純物が発光層内に侵入した結果、リーク電流が発生したものと考えられる。上記のような構成とすることで、製造時に形成されるピットの先端を保護層の高さ位置又は最終障壁層の高さ位置に留まらせ、その下層に位置する発光層には達しない状態を実現することができる。また、仮に一部のピットの先端が発光層の上面の高さ位置まで達していたとしても、従来と比べてその頻度を大幅に低下させることができる。これにより、従来よりもリーク電流を抑制することができる。この結果は、実施例を参照して後述される。
なお、この保護層は、製造時においてアンドープの層として形成された後、この保護層の上面にp型半導体層が形成される過程で高温下(例えば1000℃程度)に晒されることで、このp型半導体層からp型不純物が拡散されて、低濃度のp型不純物を含む層として形成されたものとしても構わない。このとき、保護層に含まれるp型不純物濃度が、厚さ方向に分布を有するものとしても構わない。
また、この保護層は、製造時において低濃度のn型不純物が含有された層、若しくは極めて低濃度のp型不純物が含有された層として形成された層であるものとしても構わない。
p型半導体層に含有されるp型不純物の濃度は、例えば1×1019/cm3よりは高濃度であり、好ましくは2〜3×1019/cm3程度である。このとき、保護層に含有されるp型不純物濃度は、1×1019/cm3以下とすることができ、好ましくは1×1018/cm3以下である。
より詳細には、前記p型半導体層が、前記保護層の内部に侵入し、且つ先端が前記最終障壁層よりも前記n型半導体層側に形成された前記発光層の上面の高さ位置には達していない突出部を有する構成とすることができる。
最終障壁層の上面に保護層を形成したことにより、最終障壁層が形成された時点において当該最終障壁層の表面にピットが現れていた場合であっても、当該ピットの内部の少なくとも一部を保護層によって充填することが可能となる。特に、発光層にまで達していたピットの先端を保護層で充填することで、保護層を形成した後の時点においてピットの先端が発光層の上面の高さ位置に達しない状態が実現される。このような状態の下でp型半導体層を形成することで、仮にp型半導体層の形成開始時点においてピットが存在していても、このピットは発光層の上面の高さ位置には達していないため、p型半導体層にドープされているp型不純物が発光層に拡散することを抑制できる。
なお、ここでいう突出部は、p型半導体層を形成する直前において保護層内に残存形成されたピット(凹部)に、p型半導体層に含まれるp型不純物が拡散したことで形成されたものとして構わない。突出部の先端が発光層の上面の高さ位置に達していないことで、p型不純物が活性層内に拡散してpn接合が破壊される事態が回避される。
保護層としては、当該保護層の形成前時点で形成されているピットの先端部を充填することで、保護層を形成した後の時点において残存しているピットの先端が発光層の上面の高さ位置に達しない状態を実現するために必要な最低膜厚以上であれば良い。
また、前記保護層は、前記最終障壁層よりも薄膜で構成するものとしても構わない。保護層の厚みを厚くすると、p型不純物層と発光層の間の距離が遠くなるため、p型半導体層から供給された正孔が発光層に届きにくくなる。このとき、最終障壁層とp型半導体層の界面で電子が閉じ込められてしまい、不純物準位を形成して所望波長とは異なる波長の光を発光する場合がある。このような事態は、発光スペクトルを取得したときに、所望の波長とは別の箇所において少し大きな出力が見受けられる(いわゆるショルダー部分を有する。)ことから確認できる。このような事態が生じると、所望の波長の光に関する取り出し効率が低下してしまう。
よって、保護層としては、前記最低膜厚以上であって、可能な限り薄膜であることが好ましい。なお、このとき、保護層を横方向成長(水平方向成長)が可能な温度条件で成長させることで、膜厚をできる限り薄くしながらもピットの先端部分を埋め込むことができる。この温度条件は、最終障壁層を含む活性層の成長温度よりも高温であり、例えば1000℃以上とすることができる。
なお、前記p型半導体層は、p型不純物としてMgを含むものとしても構わない。
図8は、従来方法で製造したInGaN系半導体発光素子に対し、最終障壁層25fの上層に形成されるp型半導体層68の形成条件を変えたときの逆バイアス印加時におけるIr(逆方向電流)特性を示すグラフである。より詳細には、p型不純物をドープするための原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)の流量を0.05μmol/minとして形成したサンプル(a)と、0.1μmol/minとして形成したサンプル(b)に対し、−5Vの逆バイアスを印加して20mA通電試験を行ったときの、通電時間とIrの関係を測定した。
これによれば、サンプル(a)と比較して、Mg供給量が多いサンプル(b)の方が、通電時間の経過と共にIrの値が高くなっていることが分かる。これにより、(a)と比較して(b)の方がリーク電流を発生しやすいサンプルであることが分かる。従って、p型半導体に含まれるp型不純物がMgの場合に、ピットを介して活性層内にp型不純物が侵入してリーク電流を引き起こすという上記の課題が顕著に現れるといえる。
よって、p型半導体層にドープされているp型不純物がMgである構成において、上記のように保護層を備えた半導体発光素子とすることで、リーク電流の抑制効果が大きく発揮される。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、
基板上にn型半導体層を形成する工程(a)と、
前記n型半導体層上に発光層及び障壁層を交互に積層して活性層を形成する工程(b)と、
前記障壁層のうち前記p型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、前記最終障壁層とは異なる保護層を形成する工程(c)と、
p型のドーパントを供給して前記保護層の上面にp型半導体層を形成する工程(d)とを有し、
前記工程(c)において、当該工程(c)の開始前に層の最上面に出現しているピットの先端が少なくとも前記発光層の高さ位置には達しないように、当該ピットの少なくとも一部が前記保護層で充填されることを特徴とする。
基板上にn型半導体層を形成する工程(a)と、
前記n型半導体層上に発光層及び障壁層を交互に積層して活性層を形成する工程(b)と、
前記障壁層のうち前記p型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、前記最終障壁層とは異なる保護層を形成する工程(c)と、
p型のドーパントを供給して前記保護層の上面にp型半導体層を形成する工程(d)とを有し、
前記工程(c)において、当該工程(c)の開始前に層の最上面に出現しているピットの先端が少なくとも前記発光層の高さ位置には達しないように、当該ピットの少なくとも一部が前記保護層で充填されることを特徴とする。
上記方法によれば、p型半導体層を成長させる工程(d)の開始前の時点において、層に形成されているピットの先端を保護層又は最終障壁層内に留まらせ、その下層に形成されている発光層の高さ位置には達しない状態が実現される。この状態でp型半導体層を形成することで、p型不純物はピットを通じて保護層又は最終障壁層までは拡散するものの、その下層の発光層までは拡散しない。これによりpn接合が破壊されず、リーク電流の発生が抑制される。
ここで、前記工程(c)を、横方向成長が可能な温度条件で所定の半導体層を成長させることで前記保護層を形成する工程とすることができる。この温度条件は、最終障壁層を含む活性層の成長温度よりも高温であり、例えば1000℃以上とすることができる。このような製法とすることで、保護層の厚みを出来る限り薄くしながらも、工程(d)の開始前時点において、ピットの先端を保護層又は最終障壁層内に留まらせることが可能となる。
更にこのとき、前記工程(c)を、前記最終障壁層より薄膜で前記保護層を成長させる工程としても構わない。
また、前記工程(d)において、前記p型のドーパントを、Mgを含む材料としても構わない。
なお、前記工程(c)は、アンドープの半導体層を成長させることで前記保護層を形成する工程であるものとしても構わない。
本発明によれば、リーク電流の発生を抑止して発光効率を高めた半導体発光素子が実現される。
以下において、本発明の半導体発光素子及びその製造方法の実施形態について説明する。まず、半導体発光素子の構造及び製造方法の一例について説明をした後、実施例を参照して特性を評価する。
[構造]
図9は、本発明の半導体発光素子の断面構造を示す模式的な図面であり、図5及び図7と同一の構成要素については、同一の符号を付している。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
図9は、本発明の半導体発光素子の断面構造を示す模式的な図面であり、図5及び図7と同一の構成要素については、同一の符号を付している。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
半導体発光素子1は、成長基板11の上層に、アンドープ層13と、n型半導体層21を有する。半導体発光素子1は、n型半導体層21の上層には、障壁層25と発光層23が交互に積層されてなる活性層27を備え、活性層27の上層には保護層30及びp型半導体層29を備える。
本実施形態では、活性層27として、膜厚20nmのAlGaN層からなる障壁層25(25a,25b,25c,25d,25e,25f)と、膜厚10nmのInGaN層からなる発光層23(23a,23b,23c,23d,23e)を交互に積層した。なお、障壁層25及び発光層23の繰り返し回数(周期数)は、適宜設定することができる。
なお、「AlGaN」という記述は、AlmGa1−mN(0<m<1)という記述と同義であり、AlとGaの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、AlとGaの組成比が1:1である場合に限定する趣旨ではない。「InGaN」という記述についても同様である。以下においても上記にならって記載される。
成長基板11は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Si、SiC、GaN、YAGなどで構成しても構わない。
アンドープ層13は、GaNにて形成される。より具体的には、GaNよりなる低温バッファ層と、その上層にGaNよりなる下地層によって形成される。
n型半導体層21は、例えばAlGaNで構成される層(電子供給層)とGaNで構成される層(保護層)を含む多層構造で構成される。少なくとも保護層には、Si、Ge、S、Se、Sn、又はTe等のn型不純物がドープされている。
本実施形態において、保護層30はp型半導体層29よりもp型不純物濃度が低いAlGaN層で構成されている。例えば、保護層30は、実質的にアンドープ層と認められる程度にp型不純物濃度が低いものとしても構わない。また、保護層30をSi等のn型不純物がドープされたAlGaN層で構成しても構わない。また、AlGaNに限らず、四元混晶からなるAlInGaNで構成しても構わないし、AlNやGaNで構成しても構わない。
p型半導体層29は、例えばGaN、AlGaN等で構成され、Mg、Be、Zn、又はC等のp型不純物がドープされているが、特にMgからなるp型不純物がドープされているものとして構わない。
図9に示すように、p型半導体層29は、先端が保護層30内に達する突出部29aを有する。この突出部29aは、本実施形態では、その先端が最終障壁層25fの高さ位置に留まっており、少なくとも発光層23eの上面の高さ位置には達していない。
[製造方法]
次に、半導体発光素子1の製造方法の一例につき、説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
次に、半導体発光素子1の製造方法の一例につき、説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
<ステップS1>
まず、成長基板11上に、アンドープ層13を形成する。例えば、以下の工程により行われる。
まず、成長基板11上に、アンドープ層13を形成する。例えば、以下の工程により行われる。
(成長基板11の準備)
成長基板11としてサファイア基板を用いる場合、c面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
成長基板11としてサファイア基板を用いる場合、c面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内にc面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
(アンドープ層13の形成)
次に、成長基板11(c面サファイア基板)の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層13に対応する。
次に、成長基板11(c面サファイア基板)の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層13に対応する。
アンドープ層13のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を480℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ5slmの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が50μmol/minのTMG及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に68秒間供給する。これにより、成長基板11の表面に、厚みが20nmのGaNよりなる低温バッファ層を形成する。
次に、MOCVD装置の炉内温度を1150℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が100μmol/minのTMG及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に30分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが1.7μmのGaNよりなる下地層を形成する。
<ステップS2>
次に、アンドープ層13の上層に、n型AlGaNで構成されるn型半導体層21を形成する。具体的な形成方法は例えば以下の通りである。
次に、アンドープ層13の上層に、n型AlGaNで構成されるn型半導体層21を形成する。具体的な形成方法は例えば以下の通りである。
まず、引き続き炉内温度を1150℃とした状態で、MOCVD装置の炉内圧力を30kPaとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が94μmol/minのTMG、流量が6μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.025μmol/minのテトラエチルシランを処理炉内に60分間供給する。これにより、例えばAl0.06Ga0.94Nの組成を有し、Si濃度が3×1019/cm3で、厚みが2μmのn型半導体層21がアンドープ層13の上層に形成される。
なお、この後、TMAの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを6秒間供給することにより、n型AlGaN層の上層に、厚みが5nm程度のn型GaNよりなる保護層を有するn型半導体層21を実現してもよい。
上記の説明では、n型半導体層21に含まれるn型不純物をSiとする場合について説明したが、n型不純物としては、Si以外にGe、S、Se、Sn又はTe等を用いることができる。
このステップS2が工程(a)に対応する。
<ステップS3>
次に、n型半導体層21の上層にInGaNで構成される発光層及びAlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される活性層27を形成する。具体的な形成方法は例えば以下の通りである。
次に、n型半導体層21の上層にInGaNで構成される発光層及びAlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される活性層27を形成する。具体的な形成方法は例えば以下の通りである。
まずMOCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を780℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が1slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのTMG、流量が1.6μmol/minのTMA、0.09μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に480秒間供給するステップS3Aを行って、膜厚20nm、Al組成6%のAlGaN層からなる障壁層25aを形成する。
次に、前記キャリアガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのTMG、流量が2μmol/minのTMI及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に240秒間供給するステップS3Bを行って、膜厚10nm、In組成1%のInGaN層からなる発光層23aを形成する。
以下、前記ステップS3A及びS3Bを交互に繰り返すことで、障壁層25a、発光層23a、障壁層25b、発光層23b、障壁層25c、発光層23c、障壁層25d、発光層23d、障壁層25e、発光層23e、及び障壁層25fの積層体を形成する。これにより、活性層27が形成される。なお、本実施形態の構成では、障壁層25fが最終障壁層に対応する。
このステップS3が工程(b)に対応する。
<ステップS4>
次に、活性層27の上層に、保護層30を形成する。具体的な一例としては、次のステップS5においてp型半導体層29を形成する際の炉内温度とほぼ同等の温度(例えば1025℃)程度まで上昇させた後、アンドープのAlGaN層を例えば4nm程度成長させることで保護層30を形成する。なお、ここでは保護層30をAl組成6%のAlGaNで構成した。
次に、活性層27の上層に、保護層30を形成する。具体的な一例としては、次のステップS5においてp型半導体層29を形成する際の炉内温度とほぼ同等の温度(例えば1025℃)程度まで上昇させた後、アンドープのAlGaN層を例えば4nm程度成長させることで保護層30を形成する。なお、ここでは保護層30をAl組成6%のAlGaNで構成した。
ここで、保護層30を形成するにあたっては、ピット71の先端が、最終障壁層25fに最も近い発光層23eの上面の高さ位置に達しないように膜厚を決定する。この時点における素子の断面構造の模式図を図7にならって図10に示す。図10に示すように、ピット71の一部が保護層30で充填された結果、当該ピット71の先端が最終障壁層25fの位置に留まっており、その下層の発光層23eの上面の高さ位置には達していない。
ステップS3よりも極めて高温(ここでは1025℃程度)で保護層30を成長させることで、横方向(水平方向)の成長モードで半導体層を成長させることができる。このため、4nm程度といった極めて薄い膜厚で保護層30によってピット71の一部を埋め込むことが可能となる。なお、本実施形態において、保護層30の膜厚は、障壁層(25a,25b,25c,25d,25e,25f)の膜厚よりも薄膜で形成されている。
このステップS4が工程(c)に対応する。
<ステップS5>
次に、保護層30の上層に、例えばAlGaNで構成されるp型半導体層29を形成する。具体的な形成方法は例えば以下の通りである。
次に、保護層30の上層に、例えばAlGaNで構成されるp型半導体層29を形成する。具体的な形成方法は例えば以下の通りである。
原料ガスとして、流量が35μmol/minのTMG、流量が20μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及びp型不純物をドープするための流量が0.1μmol/minのビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を処理炉内に60秒間供給する。これにより、保護層30の上層に、厚みが20nmのAl0.3Ga0.7Nの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、TMAの流量を4μmol/minに変更して原料ガスを360秒間供給することにより、厚みが120nmのAl0.13Ga0.87Nの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりp型半導体層29が形成される。このp型半導体層29のp型不純物濃度は、例えば3×1019/cm3程度である。
なお、その後、TMAの供給を停止すると共に、Cp2Mgの流量を0.2μmol/minに変更して原料ガスを20秒間供給することにより、厚みが5nm程度で、p型不純物濃度が1×1020/cm3程度のp型コンタクト層を形成してもよい。この場合、p型半導体層29にはこのp型コンタクト層も含まれる。
このステップS5が工程(d)に対応する。なお、このステップS5の過程でウェハが高温下に晒されることで、p型半導体層29に含まれるp型不純物が保護層30側に拡散する場合がある。このとき、ステップS4においてアンドープ層で形成されていた保護層30は、ステップS5が終了した時点において、低濃度のp型不純物を含有した層として形成される。ただし、保護層30が、p型半導体層29から拡散したp型不純物を含有したとしても、p型不純物濃度は、p型半導体層29と比べて著しく低い。例えば、p型半導体層29のp型不純物濃度が2〜3×1019/cm3程度である場合において、ステップS4の終了時点における保護層30のp型不純物濃度は、0.1〜1×1019/cm3程度である。
しかも、p型半導体層29側からp型不純物が拡散されたことで保護層30にp型不純物が含まれる場合、保護層30内においては、p型半導体層29に近い側の方がp型不純物濃度が高く、p型半導体層29から離れるほどp型不純物濃度が低くなると考えられる。従って、保護層30内のうち、最終障壁層25fに近い領域のp型不純物濃度は、p型半導体層29のp型不純物濃度に比べて著しく低く、依然として検出限界程度の値を示す場合もある。
図10に示すように、p型不純物を導入する直前の状態において、ピット71の先端が最終障壁層25fの高さ位置に留まっており、その下層の発光層23eの上面の高さ位置に達していないため、その後にp型不純物を導入しても、当該p型不純物が発光層23eに拡散する事態が抑制される。この結果、ピット71内にp型不純物が拡散することで形成される突出部29aの先端は発光層23eには達しない(図9参照)。
<ステップS6>
次に、ステップS1〜S5を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
次に、ステップS1〜S5を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
その後は、縦型のLED素子を実現する場合には、成長基板11を剥離した後、当該成長基板11が存在していた箇所に電極を形成してn側電極を形成する。また、横型のLED素子を実現する場合には、p側からn型半導体層が露出するまでエッチングを行なって、n側電極を形成する。なお、この場合、必要に応じて透明電極などの電極を形成するものとしても構わない。その後、各電極に給電端子などを形成し、必要に応じて、露出されている素子側面や上面を透光性の高い絶縁層で覆い、ワイヤボンディングなどにより基板との接続を行う。
以下、実施例及び比較例を参照して説明する。
(実施例1)
上記ステップS1〜S6を経て、横型のLED素子として製造された半導体発光素子1を実施例1とした。なお、このときステップS4において、保護層30を形成する際の温度を1025℃とし、保護層30の膜厚を4nmとした。
上記ステップS1〜S6を経て、横型のLED素子として製造された半導体発光素子1を実施例1とした。なお、このときステップS4において、保護層30を形成する際の温度を1025℃とし、保護層30の膜厚を4nmとした。
(実施例2)
ステップS4において、保護層30をAl組成10%のAlGaNで構成すると共に、この保護層30を形成する際の温度を実施例1よりも低い780℃とし、保護層30の膜厚を20nmとした点を除いては、実施例1と同様の方法で製造された半導体発光素子1を実施例2とした。実施例1よりも保護層30の成長温度が低いため、横方向(水平方向)の成長モードがあまり現れない結果、ピット71の先端が最終障壁層25fに最も近い発光層23eの上面の高さ位置に達しないようにすべく、実施例1よりも厚膜で保護層30を形成している。
ステップS4において、保護層30をAl組成10%のAlGaNで構成すると共に、この保護層30を形成する際の温度を実施例1よりも低い780℃とし、保護層30の膜厚を20nmとした点を除いては、実施例1と同様の方法で製造された半導体発光素子1を実施例2とした。実施例1よりも保護層30の成長温度が低いため、横方向(水平方向)の成長モードがあまり現れない結果、ピット71の先端が最終障壁層25fに最も近い発光層23eの上面の高さ位置に達しないようにすべく、実施例1よりも厚膜で保護層30を形成している。
(比較例1)
ステップS1〜S3、及びステップS5〜S6を経て横型のLED素子として製造された半導体発光素子を比較例1の素子とした。すなわち、実施例1及び実施例2と比較して、保護層30を備えていない点が異なる。
ステップS1〜S3、及びステップS5〜S6を経て横型のLED素子として製造された半導体発光素子を比較例1の素子とした。すなわち、実施例1及び実施例2と比較して、保護層30を備えていない点が異なる。
図11は、実施例1、実施例2、及び比較例1において、p型半導体層29を成長させる直前の状態における層表面の写真であり、AFM(Atomic Force Microscopy:原子間力顕微鏡)で撮影されたものである。図11において、(a)が実施例1に対応し、(b)が実施例2に対応し、(c)が比較例1に対応する。
図11によれば、比較例1の素子において最も黒い斑点が目立っており、これは径の大きなピット71が多く出現していることを示している。実施例2の素子は、比較例1の素子に比べるとピット71が少し目立ちにくくなっているが、これは厚膜で形成した保護層30によってピット71の一部が埋め込まれた結果、ピット71の径が比較例1の素子よりも小さくなっていることがその理由として考えられる。
実施例1は、実施例2よりも更にピット71の存在が目立たなくなっている。これは、実施例1において保護層30の成長温度を実施例2よりも高温にしたことで、保護層30が横方向モードで成長し、これによってピット71の径が大幅に小さくなったこと、並びに出現していたピット71のうちのいくつかが保護層30によって完全に充填されたことがその理由として考えられる。
図12は、実施例1、実施例2、及び比較例1の各素子に対してそれぞれ逆バイアスを印加したときのIr特性を示すグラフである。具体的には、各素子に対して100mAの電流を所定の時間だけ供給(エージング)した後、−5Vの逆バイアスを印加したときに流れる逆バイアス電流を測定した。図12において、横軸はエージングのために電流を供給した時間(エージング時間)を表しており、縦軸は逆バイアス電圧を印加したときに素子を流れた逆バイアス電流を表している。
図12によれば、エージング時間が長くなると、比較例1の素子の逆バイアス電流は急激に高くなっている。これに対し、実施例2の素子は比較例1の素子よりも逆バイアス電流が抑制されており、実施例1の素子は実施例2の素子よりも更に逆バイアス電流が抑制されている。
保護層30を備えない比較例1の素子は、ピット71を通じてp型不純物が発光層(23e等)に拡散したことで、pn接合が破壊されてリーク電流が発生しており、このことが高い逆バイアス電流となって現れているものと考えられる。これに対し、実施例1及び実施例2の各素子によれば、保護層30を形成したことで、ピット71の一部が充填された結果、p型不純物が発光層23eに拡散するのが抑制されており、比較例1の素子よりもリーク電流が低減できていると考えられる。特に、実施例1の素子によれば、高温で保護層30を成長させたことで、実施例2の素子よりも薄膜の保護層30によって、ピット71の一部を効果的に充填できていることが推察される。
[別実施形態]
図13に示すように、保護層30の厚みによっては、p型半導体層29の突出部29aの先端が最終障壁層25fの上面の高さ位置に達しない構成とすることも可能である。
図13に示すように、保護層30の厚みによっては、p型半導体層29の突出部29aの先端が最終障壁層25fの上面の高さ位置に達しない構成とすることも可能である。
1 : 半導体発光素子
11 : 成長基板
13 : アンドープ層
21 : n型半導体層
23(23a,23b,23c,23d,23e) : 発光層
25(25a,25b,25c,25d,25e,25f) : 障壁層
27 : 活性層
29 : p型半導体層
29a : 突出部
30 : 保護層
60 : 従来方法で製造したInGaN系の半導体発光素子
61 : p側パッド電極
62 : n側パッド電極
63 : 発光箇所
65 : 転位
67 : 活性層
68 : p型半導体層
71 : ピット
71a : 充填されたピット領域
11 : 成長基板
13 : アンドープ層
21 : n型半導体層
23(23a,23b,23c,23d,23e) : 発光層
25(25a,25b,25c,25d,25e,25f) : 障壁層
27 : 活性層
29 : p型半導体層
29a : 突出部
30 : 保護層
60 : 従来方法で製造したInGaN系の半導体発光素子
61 : p側パッド電極
62 : n側パッド電極
63 : 発光箇所
65 : 転位
67 : 活性層
68 : p型半導体層
71 : ピット
71a : 充填されたピット領域
Claims (8)
- n型半導体層とp型半導体層の間に、発光層及び障壁層が交互に積層されてなる活性層を有する半導体発光素子であって、
前記障壁層のうち前記p型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、前記最終障壁層とは異なる層であって、前記p型半導体層よりはp型不純物濃度が低い保護層を有し、
前記保護層の上面に前記p型半導体層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記p型半導体層は、前記保護層の内部に侵入し、且つ先端が前記最終障壁層よりも前記n型半導体層側に形成された前記発光層の上面の高さ位置には達していない突出部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。
- 前記保護層は、前記最終障壁層よりも薄膜で構成され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。
- 前記p型半導体層が、p型不純物としてMgを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 半導体発光素子の製造方法であって、
基板上にn型半導体層を形成する工程(a)と、
前記n型半導体層の上面に発光層及び障壁層を交互に積層して活性層を形成する工程(b)と、
前記障壁層のうち前記p型半導体層に最も近接する側に形成された最終障壁層の上面に、前記最終障壁層とは異なる保護層を形成する工程(c)と、
p型のドーパントを供給して前記保護層の上面にp型半導体層を形成する工程(d)とを有し、
前記工程(c)において、当該工程(c)の開始前に層の最上面に出現しているピットの先端が少なくとも前記発光層の高さ位置には達しないように、当該ピットの少なくとも一部が前記保護層で充填されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記工程(c)は、横方向成長が可能な温度条件で所定の半導体層を成長させることで前記保護層を形成する工程であることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程(c)は、前記最終障壁層より薄膜で前記保護層を成長させる工程であることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程(d)において、前記p型のドーパントがMgを含む材料であることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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