JP2019083221A - 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光強度を向上させることができる窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】上記課題を解決することを目的として、ｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層７０と、ｐ型クラッド層７０への電子の流出を抑制する電子ブロック層５０とを含む窒化物半導体発光素子であって、電子ブロック層５０とｐ型クラッド層７０との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層６０をさらに備える、窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、紫外光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている（特許文献１参照。）。

特開２０１０−２０５７６７号公報

特許文献１に記載のIII族窒化物半導体を用いた発光素子は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、ｎ型のＩＩＩ族窒化物障壁層とｎ型のＩＩＩ族窒化物井戸層とからなる多重量子井戸構造と、ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物層と、ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層とｐ型ＩＩＩ族窒化物層との間に形成され、ＩＩＩ族窒化物ファイナルバリア層に対して電子のエネルギー障壁となるｐ型のＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ層（０．９５＜ｚ＜＝１）からなる電子ブロック層とを有して構成されている。

特許文献１に記載のIII族窒化物半導体を用いた発光素子では、電子ブロック層におけるＡｌ組成比の最適化により、発光強度を向上させている。しかし、このような対策を施しても、十分な発光強度は得られていなかった。

そこで、本発明は、発光強度をさらに向上させることができる窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、ｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層への電子の流出を抑制する電子ブロック層とを含む窒化物半導体発光素子であって、前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層をさらに備える、窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、発光強度を向上させることができる窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示す発光素子のＳｉ濃度分布を模式的に示すグラフである。 図３は、実施例及び比較例の発光素子のＳｉ濃度分布を比較して模式的に示すグラフである。 図４は、実施例及び比較例の発光強度を比較して示すグラフである。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。本実施の形態では、特に、中心波長が２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの深紫外光を発する発光素子１を例に挙げて説明する。

図１に示すように、発光素子１は、基板１０と、バッファ層２０と、ｎ型クラッド層３０と、多重量子井戸層を含む活性層４０と、電子ブロック層５０と、中間層６０と、ｐ型クラッド層７０と、ｐ型コンタクト層８０と、ｎ側電極９０と、ｐ側電極９２とを含んで構成されている。

発光素子１を構成する半導体には、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置き換えても良く、また、Ｎの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えても良い。

基板１０は、発光素子１が発する深紫外光に対して透光性を有している。基板１０は、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）を含むサファイア基板である。基板１０には、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の他に、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板を用いてもよい。

バッファ層２０は、基板１０上に形成されている。バッファ層２０は、ＡｌＮ層２２と、ＡｌＮ層２２上に形成されるアンドープのｕ−Ａｌ_ｐＧａ_１−ｐＮ層２４（０≦ｐ≦１）を含んで構成されている。また、基板１０及びバッファ層２０は、下地構造部２を構成する。なお、基板１０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、バッファ層２０は必ずしも設けなくてもよい。

ｎ型クラッド層３０は、下地構造部２上に形成されている。ｎ型クラッド層３０は、ｎ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｎ型ＡｌＧａＮ」ともいう。）により形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌ_ｑＧａ_１−ｑＮ層（０≦ｑ≦１）である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、炭素（Ｃ）等を用いてもよい。ｎ型クラッド層３０は、１μｍ〜３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有している。ｎ型クラッド層３０は、単層でもよく、多層構造でもよい。

多重量子井戸層を含む活性層４０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。活性層４０は、Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＮを含んで構成される多重量子井戸層のｎ型クラッド層３０側の障壁層４２ａ、及び後述する電子ブロック層５０側の障壁層４２ｃを含む３層の障壁層４２ａ，４２ｂ，４２ｃとＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＮを含んで構成される３層の井戸層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ（０≦ｒ≦１、０≦ｓ≦１、ｒ＞ｓ）とを交互に積層した多重量子井戸層を含む層である。活性層４０は、波長３５０ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、活性層４０に障壁層４２及び井戸層４４は各３層ずつ設けたが、必ずしも３層に限定されるものではなく、２層以下でもよく、４層以上でもよい。

電子ブロック層５０は、活性層４０上に形成されている。電子ブロック層５０は、後述するｐ型クラッド層７０側への電子の流出を抑制するために、電子を反射させて多重量子井戸層に注入させる役割を担う層である。電子ブロック層５０は、ｐ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｐ型ＡｌＧａＮ」ともいう。）により形成されている。電子ブロック層５０は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有している。なお、電子ブロック層５０は、ＡｌＮにより形成された層を含んでもよい。また、電子ブロック層５０は、必ずしもｐ型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。

中間層６０は、電子ブロック層５０上に形成されている。中間層６０は、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含む層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ層（０≦ｚ≦１）である。中間層６０は、１００ｎｍ以下の厚さを有している。

次に、中間層６０のシリコン（Ｓｉ）濃度分布について、図２を参照して説明する。図２は、中間層の発光素子１のシリコン濃度分布を示すグラフであり、特に発光素子１を構成する各層のうち電子ブロック層５０、中間層６０及びｐ型クラッド層７０（後述）のシリコン濃度を抜き出して示している。図２に示すように、中間層６０のシリコン（Ｓｉ）濃度は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上である。

ｐ型クラッド層７０は、中間層６０を介して電子ブロック層５０上に形成されている。ｐ型クラッド層７０は、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成される層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌ_ｔＧａ_1-ｔＮクラッド層（０≦ｔ≦１）である。なお、ｐ型の不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いてもよい。ｐ型クラッド層７０は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。

ｐ型コンタクト層８０は、ｐ型クラッド層７０上に形成されている。ｐ型コンタクト層８０は、例えば、Ｍｇ等の不純物が高濃度にドープされたｐ型のＧａＮ層である。

ｎ側電極９０は、ｎ型クラッド層３０の一部の領域上に形成されている。ｎ側電極９０は、例えば、ｎ型クラッド層３０の上に順にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。

ｐ側電極９２は、ｐ型コンタクト層８０の上に形成されている。ｐ側電極９２は、例えば、ｐ型コンタクト層８０の上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。

次に、発光素子１の製造方法について説明する。基板１０上にバッファ層２０、ｎ型クラッド層３０、活性層４０、電子ブロック層５０、中間層６０、ｐ型クラッド層７０を、この順に連続的に高温成長させて形成する。これら層の成長には、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシ法（Halide Vapor Phase Epitaxy：ＮＶＰＥ）等の周知のエピタキシャル成長法を用いて形成することができる。

中間層６０は、Ｓｉの濃度が所定の濃度（例えば、１．０×１０^１7ｃｍ^−３）以上になるように適宜調整して、電子ブロック層５０上に高温成長させる。所定の濃度以上のＳｉを含めるために、中間層６０は、例えば、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）、シラン（ＳｉＨ_４）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ；（ＣＨ_３）_３Ａｌ）、アンモニア（ＮＨ_３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ；（ＣＨ_３）_３Ｇａ）、ビズ（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）等を原料ガスとして形成することができる。また、中間層６０の形成は、上述のバッファ層２０、ｎ型クラッド層３０、活性層４０及び電子ブロック層５０の形成工程での温度と比較して低い温度で実行されることが好ましい。

なお、中間層６０を形成する工程は、上述の方法に限られない。例えば、上述のような中間層６０を直接的に（すなわち、連続的に）形成する工程を設けなくとも、活性層５０上に電子ブロック層５０を形成する工程と、中間層６０上にｐ型クラッド層７０を成長させる工程との間に、例えば、ＰＬ（Photo Luminescence）法による評価を行う工程等他の工程を設けることによって、電子ブロック層５０及びｐ型クラッド層７０間の連続的な高温成長が中断されることにより、電子ブロック層５０及びｐ型クラッド層７０間に上述した中間層６０を形成することができる。

次に、ｐ型クラッド層７０の上にマスクを形成し、マスクが形成されていない露出領域の活性層４０、電子ブロック層５０、中間層６０、及びｐ型クラッド層７０を除去する。活性層４０、電子ブロック層５０、中間層６０、及びｐ型クラッド層７０の除去は、例えば、プラズマエッチングにより行うことができる。ｎ型クラッド層３０の露出面３０ａ（図１参照）上にｎ側電極９０を形成し、マスクを除去したｐ型コンタクト層８０上にｐ側電極９２を形成する。ｎ側電極９０及びｐ側電極９２は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。以上により、図１に示す発光素子１が形成される。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の実施の形態に係る実施例について説明する。図３は、実施例及び比較例の発光素子のＳｉ濃度分布を比較して示すグラフである。図４は、実施例及び比較例の発光出力（任意単位、当社比）を比較して示すグラフである。図３に示すように、実施例の発光素子１は、上述したように、電子ブロック層５０及びｐ型クラッド層７０間に、Ｓｉ濃度１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上のＳｉを含む中間層６０を有しているのに対し、比較例の発光素子は、かかる中間層６０を有していない点で両者は相違している。なお、実施例１は、中間層６０を直接的に形成した例を示し、実施例２は、電子ブロック層５０及びｐ型クラッド層７０間の連続的な高温成長が中断することによって中間層６０を形成した例を示す。

図４に示すように、比較例の発光素子では、発光波長２８５．７５ｎｍで０．８８の発光強度が得られた。これに対し、実施例１の発光素子１では、発光波長２８７．３５ｎｍで０．９２の発光強度が得られた。また、実施例２の発光素子１では、発光波長２８６．５５ｎｍで０．９９の発光出力が得られた。このように、実施例１の発光素子１の発光強度は、比較例の発光素子の発光強度より４％向上した。また、実施例１の発光素子１の発光強度は、比較例の発光素子の発光強度より１２％向上した。以上のように、本発明により、発光素子１の発光強度が上昇することが明らかになった。

ここで、発光波長（ｎｍ）は、発光出力を計測した波長である。発光出力は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本実施例では、一例として、ウエハの中心部とエッジ部にそれぞれＩｎ電極を付けて電流を流し、光検出器により測定した。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る発光素子１では、電子ブロック層５０とｐ型クラッド層７０との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層６０が設けられている。これにより、発光素子１の深紫外光の発光強度を向上させることが可能となる。

（実施形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］ｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層（７０）と、前記ｐ型クラッド層（７０）への電子の流出を抑制する電子ブロック層（５０）とを含む窒化物半導体発光素子（１）であって、前記電子ブロック層（５０）と前記ｐ型クラッド層（７０）との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層（６０）をさらに備える、窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記中間層（６０）は、少なくともＡｌ及びＧａのいずれか、及び窒素（Ｎ）をさらに含む、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記中間層（６０）の前記所定の添加濃度は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上である、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記中間層（６０）の厚みは、１００ｎｍ以下である、前記［１］から［３］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］ｐ型ＡｌＧａＮを有するｐ型クラッド層（７０）への電子の流出を抑制する電子ブロック層（５０）を形成する工程と、前記ｐ型クラッド層（７０）を形成する工程とを備える窒化物半導体発光素子（１）の製造方法であって、前記電子ブロック層（５０）と前記ｐ型クラッド層（７０）との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層（６０）を形成する工程をさらに備える、窒化物半導体発光素子（１）の製造方法。
［６］前記中間層（６０）を形成する工程は、前記電子ブロック層（５０）を形成する工程と前記ｐ型クラッド層（７０）を形成する工程との間に設けられた、前記電子ブロック層（５０）と前記ｐ型クラッド層（７０）との間の連続的な成長を所定の時間中断する工程を含む、［５］に記載の窒化物半導体発光素子（１）の製造方法。

１…窒化物半導体発光素子（発光素子）
２…下地構造部
１０…基板
２０…バッファ層
２２…ＡｌＮ層
２４…ｕ−Ａｌ_ｐＧａ_１−ｐＮ層
３０…ｎ型クラッド層
３０ａ…露出面
４０…活性層
４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ…障壁層
４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ…井戸層
５０…電子ブロック層
６０…中間層
７０…ｐ型クラッド層
８０…ｐ型コンタクト層
９０…ｎ側電極
９２…ｐ側電極

Claims (6)

1. ｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層への電子の流出を抑制する電子ブロック層とを含む窒化物半導体発光素子であって、
   前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層をさらに備える、
   窒化物半導体発光素子。
2. 前記中間層は、少なくともＡｌ及びＧａのいずれか、及び窒素（Ｎ）をさらに含む、
   請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記中間層の前記所定の添加濃度は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上である、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記中間層の厚みは、１００ｎｍ以下である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. ｐ型ＡｌＧａＮを有するｐ型クラッド層への電子の流出を抑制する電子ブロック層を形成する工程と、前記ｐ型クラッド層を形成する工程とを備える窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
   前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層との間に所定の添加濃度のＳｉを含む中間層を形成する工程をさらに備える、
   窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記中間層を形成する工程は、前記電子ブロック層を形成する工程と前記ｐ型クラッド層を形成する工程との間に設けられた、前記電子ブロック層と前記ｐ型クラッド層との間の連続的な成長を所定の時間中断する工程を含む、
   請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

Images