JP2018107448A - Iii族窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1.半導体発光素子
図1は、第1の実施形態の発光素子100の概略構成を示す図である。図1に示すように、発光素子100は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子100は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。また、発光素子100は、紫外発光する素子である。
2−1.酸化膜の周辺構造
図2は、酸化膜の周辺を抜き出して描いた図である。図2に示すように、基板S1は、主面S1uを有している。第1の酸化膜O1は、下面O1dと上面O1uとを有する。第1のIII 族窒化物層I1は、下面I1dと上面I1uとを有する。第2の酸化膜O2は、下面O2dと上面O2uとを有する。n型コンタクト層110は、下面110dを有する。
ここで、第1の酸化膜O1および第2の酸化膜O2は、極性反転層である。まず、酸素原子がない場合について説明する。酸素原子がない場合には、Al原子が配置された面とN原子が配置された面との組が、c軸方向に繰り返し配列されている。
通常、AlN基板は、製造後に製造装置から取り出される。その場合には、大気中の酸素によりAlN基板が部分的に自然に酸化されてしまう。AlN基板の表面上に部分的に酸化膜が形成されるため、AlN基板の表面上で極性反転が部分的に生じる。そして、先行技術によれば、極性反転の程度に局所的にばらつきが生じる。そのため、このようなAlN基板の上にIII 族窒化物半導体層を成長させた場合に、一つの層の内部でAl極性が優勢な箇所とN極性が優勢な箇所とが生じることがあった。
ここで、本実施形態に係る発光素子100の製造方法について説明する。半導体層を成長させる際には、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。ここで用いるキャリアガスは、水素(H2 )もしくは窒素(N2 )もしくは水素と窒素との混合気体(H2 +N2 )である。窒素源として、アンモニアガス(NH3 )を用いる。Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 )3 )を用いる。In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 )3 )を用いる。Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 )3 )を用いる。n型ドーパントガスとして、シラン(SiH4 )を用いる。p型ドーパントガスとして、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いる。また、これら以外のガスを用いてもよい。
基板S1をH2 ガスでクリーニングする。基板温度は1100℃程度である。もちろん、その他の基板温度であってもよい。
次に、表面が部分的に酸化している基板S1の上に第1の酸化膜O1を形成する。第1の酸化膜O1としてAl原子とN原子とO原子とを含有する酸化膜を形成する。そのために、基板温度を25℃以上400℃以下の範囲内として酸素雰囲気中で基板S1を加熱する。基板温度は200℃以上400℃以下であってもよい。または、基板S1を大気中またはMOCVD炉の外部の酸素雰囲気中に放置してもよい。
次に、第1の酸化膜O1の上に第1のIII 族窒化物層I1を形成する。その際にMOCVD法を用いてもよい。また、スパッタリングを用いてもよい。このときの基板温度は850℃以上1200℃以下の範囲内である。この温度範囲では、AlNが好適に成長する。第1の酸化膜O1の上に成長する第1のIII 族窒化物層I1(例えばAlN)の極性は、酸素原子の八面体結晶と第1の酸化膜O1のAlの極性により決定される。酸素原子の八面体結晶およびAlの極性は、基板の極性の反対である。したがって、Al極性(+c極性)の基板の上に成長するAlNの極性は、均一なN極性(−c極性)である。
次に、第1のIII 族窒化物層I1の上に表面酸化膜として第2の酸化膜O2を形成する。第2の酸化膜O2としてAl原子とN原子とO原子とを含有する酸化膜を形成する。そのために、第1の酸化膜O1および第1のIII 族窒化物層I1を形成された基板S1を酸素雰囲気中で25℃以上400℃以下の範囲内で加熱する。加熱温度は200℃以上400℃以下であってもよい。基板S1を大気中またはMOCVD炉の外部の酸素雰囲気中に放置してもよい。
3−5−1.n型コンタクト層形成工程
次に、第2の酸化膜O2の上にn型コンタクト層110を形成する。このときの基板温度は、900℃以上1140℃以下である。この温度範囲内では、n型コンタクト層110のGaNは好ましく成長する。第2の酸化膜O2の上に成長するGaNの極性は、酸素原子の八面体結晶および第2の酸化膜O2のAlの極性により決定される。酸素原子の八面体結晶およびAlの極性は、第1のIII 族窒化物層I1の極性と反対である。そのため、N極性(−c極性)の第1のIII 族窒化物層I1の上に成長するGaNの極性は、均一なGa極性(+c極性)、すなわちIII 族金属極性である。したがって、半導体層の均一かつ完全な極性のために、発光素子100における半導体層は優れた結晶性を有する。
次に、n型コンタクト層110の上にn側クラッド層130を形成する。そのために、SiドープしたAlGaN層を積層する。
次に、n側クラッド層130の上に発光層140を形成する。そのために、井戸層と障壁層とを積層した単位積層体を繰り返し積層する。また、井戸層を形成した後にキャップ層を形成してもよい。
3−7−1.p側クラッド層形成工程
次に、発光層140の上にp側クラッド層150を形成する。ここでは、p型AlGaN層を積層する。
次に、p側クラッド層150の上にp型コンタクト層160を形成する。
次に、p型コンタクト層160の上に透明電極TE1を形成する。
次に、透明電極TE1の上にp電極P1を形成する。そして、レーザーもしくはエッチングにより、p型コンタクト層160の側から半導体層の一部を抉ってn型コンタクト層110を露出させる。そして、その露出箇所に、n電極N1を形成する。p電極P1の形成工程とn電極N1の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
また、上記の工程の他、熱処理工程、絶縁膜形成工程、その他の工程を実施してもよい。以上により、図1に示す発光素子100が製造される。
4−1.フリップチップ
図3は、変形例における発光素子200の概略構成を示す図である。発光素子200は、フリップチップ型の半導体発光素子である。発光素子200は、反射層R1を有する。反射層R1は、透明電極TE1とp電極P1との間に配置されている。
本実施形態では、基板S1はAlN基板である。しかし、基板S1はAlGaN基板であってもよい。また、基板は、サファイア基板の上にAlNもしくはAlGaNが形成されたテンプレート基板であってもよい。
本実施形態では、第1の酸化膜O1の材質はAl2 O3 、AlOx Ny 、Ala Gab Ox Ny のいずれかである。しかし、第1の酸化膜O1の材質は、その他のAlを含有するIII 族窒化物が酸化したものであってもよい。その場合であっても、第1の酸化膜O1は、Al原子とN原子とO原子とを含有する。
本実施形態の第1のIII 族窒化物層I1の材質はAlN、AlGaNまたはGaNであってもよい。
本実施形態では、第2の酸化膜O2の材質はAl2 O3 、AlOx Ny 、Ala Gab Ox Ny のいずれかである。しかし、第2の酸化膜O2の材質は、その他のAlを含有するIII 族窒化物が酸化したものであってもよい。その場合であっても、第2の酸化膜O2は、Al原子とN原子とO原子とを含有する。
本実施形態では、第1の酸化膜O2の上にはn型コンタクト層110が形成されている。しかし、第1の酸化膜O2とn型コンタクト層110との間に任意のIII 族窒化物層を形成してもよい。
本実施形態においては、第2の酸化膜O2の上に、n型コンタクト層110と、n側クラッド層130と、発光層140と、p側クラッド層150と、p型コンタクト層160と、を形成する。しかし、これ以外の積層構造であってももちろん構わない。また、上記の各層の積層構造も、本実施形態で説明した構成以外の構成であってもよい。
第1の実施形態においては、第1のIII 族窒化物層I1が成長する基板S1の表面S1uが、Al極性面(+c面)である。第1のIII 族窒化物層I1の極性は、成長方向に沿ってN極性面(−c極性)である。第2の酸化膜O2の上に成長するn型コンタクト層110の極性は、成長方向に沿ってGa極性面またはAl極性面(+c極性)である。しかし、基板の極性は反対であってもよい。つまり、基板S1の表面S1uが、N極性面(−c面)であってもよい。その場合には、第1のIII 族窒化物層I1は、Al極性またはGa極性(+c極性)である。そして、n型コンタクト層110の極性は、N極性(−c極性)である。
本実施形態の発光素子100は、紫外発光する素子である。本明細書の技術は、基板および全てのエピタキシャル層がAlGaN(AlNを含む)であり紫外発光する発光素子(井戸層にInを含む発光素子を除く)に対して特に有効である。しかし、発光素子は紫外線以外の波長の光を発してもよい。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100は、第1の酸化膜O1と、第1のIII 族窒化物層I1と、第2の酸化膜O2と、を有する。第1の酸化膜O1と、第2の酸化膜O2とは、下地層からの極性を反転させる。そのため、成長させる半導体層の内部でIII 族極性面とN極性面とが混在することを抑制することができる。つまり、半導体層の結晶性はよい。
S1…基板
O1…第1の酸化膜
I1…第1のIII 族窒化物層
O2…第2の酸化膜
110…n型コンタクト層
130…n側クラッド層
140…発光層
150…p側クラッド層
160…p型コンタクト層
TE1…透明電極
R1…反射層
N1…n電極
P1…p電極
Claims (12)
- 基板と、
前記基板に接触している状態で形成された第1の酸化膜と、
前記第1の酸化膜に接触している状態で形成された第1のIII 族窒化物層と、
前記第1のIII 族窒化物層に接触している状態で形成された第2の酸化膜と、
前記第2の酸化膜の上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に形成された発光層と、
前記発光層の上に形成された第2導電型の第2半導体層と、
を有し、
前記基板は、
AlN基板またはAlGaN基板であり、
前記第1の酸化膜は、
Al原子とN原子とO原子とを含有するものであり、
前記第1のIII 族窒化物層は、
AlNまたはAlGaNからなり、
前記第2の酸化膜は、
Al原子とN原子とO原子とを含有するものであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第1の酸化膜は、
前記基板の表面が酸化されたものであり、
前記第2の酸化膜は、
前記第1のIII 族窒化物層の表面が酸化されたものであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第1導電型の前記第1半導体層の極性は、
前記基板の極性と同じであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記基板は、AlNであり、
前記第1のIII 族窒化物層は、AlNであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項4に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第1の酸化膜は、
AlONであり、
前記第2の酸化膜は、
AlONであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第1の酸化膜の膜厚および前記第2の酸化膜の膜厚は、
3nm以上100nm以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第1のIII 族窒化物層のAl組成は、0.5以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第1導電型の前記第1半導体層のAl組成は、0.5以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 基板の上に第1の酸化膜を形成する第1の酸化膜形成工程と、
前記第1の酸化膜の上に第1のIII 族窒化物層を形成する第1のIII 族窒化物層形成工程と、
前記第1のIII 族窒化物層の上に第2の酸化膜を形成する第2の酸化膜形成工程と、
前記第2の酸化膜の上に第1導電型の第1半導体層を形成する第1半導体層形成工程と、
前記第1半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上に第2導電型の第2半導体層を形成する第2半導体層形成工程と、
を有し、
前記基板としてAlN基板またはAlGaN基板を用い、
前記第1の酸化膜形成工程では、
前記第1の酸化膜としてAl原子とN原子とO原子とを含有する酸化膜を形成し、
前記第1のIII 族窒化物層形成工程では、
前記第1のIII 族窒化物層としてAlN層またはAlGaN層を形成し、
前記第2の酸化膜形成工程では、
前記第2の酸化膜としてAl原子とN原子とO原子とを含有する酸化膜を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項9に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記第1の酸化膜の膜厚および前記第2の酸化膜の膜厚は、
3nm以上100nm以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項9または請求項10に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記第1のIII 族窒化物層のAl組成は、0.5以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項9から請求項11までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記第1導電型の前記第1半導体層のAl組成は、0.5以上であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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