JP2019117950A - 電子部品 - Google Patents
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たとえば、特許文献1には、n型クラッド層と、その上に積層されたMQW活性層との間に、InGaN層とGaN層とを有する超格子層を配置することが開示されている。
そこで、本発明の目的は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生する発光層における格子欠陥を低減することができる半導体発光素子を提供することである。
この構成によれば、応力緩和層のIn組成比率(y)を、主発光層のIn組成比率(x)に徐々に近づけることができる。これにより、主発光層と応力緩和層との格子サイズの差を小さくできるので、主発光層への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
前記半導体発光素子において、前記主発光層および前記応力緩和層は、互いに接するように積層されていてもよい。
前記半導体発光素子において、前記発光層は、InGaNからなる量子井戸層と、GaNからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有していることが好ましい。この場合、前記量子井戸層は、3nm±10%の厚さを有していることが好ましい。この構成により、半導体発光素子の発光効率を一層向上させることができる。
この構成によれば、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層(応力緩和層)の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
この構成によれば、緑色の光を効率よく発生する発光層を有する半導体発光素子を提供することができる。
前記半導体発光素子において、前記発光層は、60nm〜140nmの総厚さを有していてもよい。
前記半導体発光素子は、サファイア基板をさらに含み、前記発光層は、前記応力緩和層および前記主発光層がこの順に、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された層であってもよい。
図1は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。
本発明の半導体発光素子の一例としての発光ダイオード1は、サファイア基板2上に、III族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層3を成長させて構成された素子本体を有している。
III族窒化物半導体層3には、断面がほぼ矩形となるようにp型GaNコンタクト層36からn型GaNコンタクト層32が露出する深さまで選択的に除去(たとえば、エッチング)することによって凹部4が形成されている。そして、n型GaNコンタクト層32は、III族窒化物半導体層3の片側から、サファイア基板2の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部5を有している。
サファイア基板2は、支持基板(配線基板)8に接合されている。支持基板8の表面には、配線9,10が形成されている。そして、p型電極6と配線9とがボンディングワイヤ11で接続されており、n型電極7と配線10とがボンディングワイヤ12で接続されている。
サファイア基板2は、極性面(この実施形態ではc面)を主面とするサファイア単結晶からなる基板である。具体的には、サファイア基板2の主面は、極性面の面方位から0.3°以上のオフ角、より好ましくは、m軸方向に0.3°以上のオフ角を有する面である。
また、サファイア基板2の厚さは、600μm以上、具体的には、650μm〜1000μmとすることが好ましい。なお、発光ダイオード1においては、サファイア基板2に代えて、たとえば、GaN基板、ZnO基板、AlN基板、SiC基板等の六方晶系の基板を使用することができる。
n型GaNコンタクト層32は、たとえば、シリコンをn型ドーパントとして添加したn型GaN層からなる。層厚は3μm以上、具体的には、3μm〜7μmとすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、1×1018cm−3程度とされる。
さらに発光層34は、InGaN層14およびGaN層13からなる多重量子井戸構造と、p型AlGaN電子阻止層35との間に、GaNファイナルバリア層15(たとえば10nm厚程度)を有している。GaNファイナルバリア層15は、たとえば、アンドープ(ドーパントがドープされていない)GaN層からなる。
p型GaNコンタクト層36は、たとえば、p型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したGaN層からなる。層厚は0.1μm以上、具体的には、0.2μm〜0.5μmとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、1020cm−3程度とされる。p型GaNコンタクト層36の表面はIII族窒化物半導体層3の表面3aをなし、この表面3aは鏡面となっている。この表面3aは、発光層34で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
発光層34は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、好ましくは、ピーク発光波長が500nm〜550nmの範囲の光を発生する。ここでピーク発光波長とは、発光層34から放出される光のうち、最も強度の高い光(メインピーク)の波長のことを指し、放出された光のスペクトル分布のピーク値に対応する波長である。
発光層34は、本発明の主発光層の一例としての緑色発光層16と、本発明の応力緩和層の一例としての青色発光層17とを含む。これら二つの発光層16,17のうち、発光層34から放出する光を主として発生させるのは緑色発光層16であり、500nm以上(具体的には500nm〜550nm)のピーク発光波長を有する光を発生させる。
緑色発光層16および青色発光層17は、この実施形態では、緑色発光層16がIII族窒化物半導体層3の表面3a(光取り出し側表面)に近い側に配置され、青色発光層17が緑色発光層16に対して表面3aとは反対側(サファイア基板2に近い側)に配置されており、これらが互いに接するように積層されている。
この実施形態では、緑色発光層16において、InGaN層14(g)およびGaN層13(g)が4周期(4ペア)積層されている。また、青色発光層17においても、InGaN層14(b)およびGaN層13(b)が4周期(4ペア)積層されている。
たとえば、図2の右側に示すように、4つのInGaN層14(g)のIn組成比率(x)は、すべて0.2(20%)となっている。なお、複数のInGaN層14(g)は、III族窒化物半導体層3の積層方向においてIn組成比率(x)が変化する順序で積層されていてもよい。たとえば、青色発光層17から遠いほどIn組成比率(x)が大きくなる順序、または小さくなる順序で積層されていてもよい。
発光層34の厚さに関して、緑色発光層16および青色発光層17を含めた発光層34の全体の厚さ(総厚さ)は、たとえば、60nm〜150nmである。各層16,17の厚さに関して、緑色発光層16は、InGaN層(量子井戸層)14(g)が3nm±10%(つまり、2.7nm〜3.3nm)厚程度であり、GaN層(バリア層)13(g)が14nm厚程度である。
図3に示すように、処理装置の処理室20内に、ヒータ21を内蔵したサセプタ22が配置されている。サセプタ22は、回転軸23に結合されており、この回転軸23は、処理室20外に配置された回転駆動機構24によって回転されるようになっている。
処理室20には、排気配管26が接続されている。排気配管26はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室20内の圧力は、1/10気圧〜常圧力(好ましくは1/5気圧程度)とされ、処理室20内の雰囲気は常時排気されている。
そして、サファイア基板2上にIII族窒化物半導体層3を結晶成長させるには、たとえば、c面を主面とするサファイア単結晶ウエハをウエハ25としてサセプタ22に保持させる。この状態で、バルブ52〜56は閉じておき、窒素原料バルブ51を開いて、処理室20内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス(窒素原料ガス)が供給される。
次に、ウエハ温度が400℃〜700℃となるように設定した後、窒素原料バルブ51およびガリウム原料バルブ52が開かれる。これにより、原料ガス供給路40から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルガリウムが供給される。その結果、ウエハ25の表面に、アンドープのGaN層からなる低温GaNバッファ層31が成長する。
次の工程は、発光層34の形成工程である。発光層34の工程は、図4に示すように、相対的に高い温度で、InyGa1−yN(y=0.06〜0.16)14(b)を有する青色発光層17(応力緩和層)を形成する第1工程と、第1工程よりも相対的に低い温度で、InxGa1−xN(x=0.18〜0.23)層14(g)を有する緑色発光層16(主発光層)を形成する第2工程とを含む。さらに、第2工程に引き続いて、GaNファイナルバリア層15の形成工程が行われる。
次に、緑色発光層16の形成工程は、青色発光層17の形成工程と同様に、InGaN層(量子井戸層)14(g)を成長させる工程と、無添加のGaN層(バリア層)13(g)を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、青色発光層17の形成工程で最後に形成されたInGaN層14(b)の上に、GaN層13(g)を始めに形成し、その上にInGaN層14(g)を形成する。
より好ましくは、図4の「新構造」の実線で示すように、成長時間が経過してもウエハ温度が一定に制御されることが好ましい。たとえば、この実施形態では、760℃程度のウエハ温度に制御する。このウエハ25の一定温度制御によって、緑色発光層16において複数のInGaN層14(g)を、III族窒化物半導体層3の積層方向において、一定のIn組成比率(x)で積層することができる。
これにより、ウエハ25に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたAlGaN層からなるp型AlGaN電子阻止層35が形成されることになる。このp型AlGaN電子阻止層35の形成時には、ウエハ25の温度は、900℃〜1100℃(たとえば970℃)とされることが好ましい。
これにより、ウエハ25に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたGaN層からなるp型GaNコンタクト層36が形成されることになる。p型GaNコンタクト層36の形成時には、ウエハ25の温度は、9000℃〜1100℃(たとえば950℃)とされることが好ましい。
凹部4は、中間バッファ層33、発光層34、p型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、中間バッファ層33、発光層34、p型AlGaN電子阻止層35およびp型GaNコンタクト層36をメサ形に整形するものであってもよい。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ25の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード1のパッケージが作製される。
これにより、サファイア基板2上に発光層34を結晶成長させる際、まず青色発光層17を成長させ、その後に緑色発光層16を成長させることによって、緑色発光層16の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、緑色発光層16への格子欠陥の導入を低減することができる。
また、この実施形態では、青色発光層17において、複数のInGaN層14(b)が、III族窒化物半導体層3の積層方向において、緑色発光層16に近いほどIn組成比率(y)が大きくなる順序で積層されている。
また、この実施形態では、青色発光層17と緑色発光層16が互いに接するように積層されていて、これらの層16,17の境界に、これらの層16,17とは異なるIII族窒化物半導体からなる層が介在されていない。
さらに、この実施形態によれば、サファイア基板2上に、前述のように発光効率の向上した発光層34を有するIII族窒化物半導体層3を形成することができる。特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、極性面であるc面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造を有する発光ダイオードを例にとったが、非極性面であるm面やa面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。さらには、極性面や非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成した場合にも、発光効率を向上させることができる。
また、前述の実施形態では、発光ダイオードに本発明が適用された例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
(1)裏面輝度
本発明による長波長領域における輝度の低下抑制を実証するため、具体的な実験を行った。まず、サファイア単結晶ウエハ25のc面上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層3を形成したサンプル1(新構造)を作製した。
一方、発光層34をサンプル1の緑色発光層16のみ(InGaN/GaN=8ペア)で構成したこと以外は、サンプル1と同様の方法により、サファイア単結晶ウエハ25のc面上にIII族窒化物半導体層3を形成したサンプル2(比較構造)を作製した。そして、これらサンプル1,2の裏面輝度を、裏面プローバを用いて測定した。結果を図5に示す。
これに対し、発光層34の一部に青色発光層17を採用した構成のサンプル1(新構造)では、緑色の光の波長域(500nm〜550nm)のうち短波長領域(515nm〜525nm)での裏面輝度はサンプル2に劣るものの、裏面輝度の低下率がサンプル2に比べて低くなっている。
(2)PLスペクトル
次に、本発明の発光層によって500nm以上のピーク発光波長を得ることができるかを確認するため、(1)で作製したサンプル1(新構造)について、室温でPL(Photo Luminescence)強度を測定した。PL強度は、サンプル1のPL測定を行ってスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長400nm〜600nmまでを積分した積分値を求めた。得られたPL積分強度のスペクトルを、図6に示す。
なお、図6のPLスペクトルには、415nm付近、440nm付近および475nm付近にそれぞれ、メインピークに比べて低いピークが表れているが、これらのピークは青色発光層17から発生する光に起因するものであると考えられる。これらのピークは、ノイズレベルのピークであるため、発光ダイオードの発光特性に影響を与えるものではない。
(3)ELスペクトル
さらに、(2)で示した青色発光層17に起因すると考えられるピークが、発光ダイオード1の発光特性に影響を与えないものであることを確認するため、以下の実験を行った。具体的には、(1)で作製したサンプル1(新構造)にp型電極6およびn型電極7を形成し、さらに透明樹脂で封止したダイオードパッケージを作製した。
換言すると、図6〜図9の結果から、緑色発光層16のInGaN層14(g)で生成される緑色光が外部に取り出される光の発光波長に寄与する一方で、青色発光層17のInGaN層14(b)で生成される青色光が外部に取り出される光の発光波長に寄与しないことがわかった。
[項1]III族窒化物半導体からなり、少なくともn型層と、p型層と、前記n型層および前記p型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、前記発光層は、ピーク発光波長が500nm以上の光を発生するものであり、InxGa1−xN(x=0.18〜0.23)層を有する主発光層と、InyGa1−yN(y=0.06〜0.16)層を有する応力緩和層とを含む、半導体発光素子。
この構成によれば、応力緩和層のIn組成比率(y)を、主発光層のIn組成比率(x)に徐々に近づけることができる。これにより、主発光層と応力緩和層との格子サイズの差を小さくできるので、主発光層への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
[項3]前記主発光層および前記応力緩和層は、互いに接するように積層されている、項1または2に記載の半導体発光素子。
[項4]前記発光層は、InGaNからなる量子井戸層と、GaNからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有している、項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
[項6]前記半導体発光素子は、前記応力緩和層に対して前記主発光層とは反対側に配置され、InGaN層とGaN層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含む、項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
この構成によれば、n型層またはp型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層(応力緩和層)の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
[項9]前記発光層は、60nm〜150nmの総厚さを有している、項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。この構成によれば、発光層の総厚さを一般的な範囲内に収めながら、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
この構成によれば、サファイア基板上に、発光効率の向上した発光層を有するIII族窒化物半導体層を形成することができる。また、特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
2 サファイア基版
3 III族窒化物半導体層
13(g,b) GaN層
14(g,b) InGaN層
16 緑色発光層
17 青色発光層
31 n型低温GaNバッファ層
32 n型GaNコンタクト層
33 中間バッファ層
34 発光層
35 p型AlGaN電子阻止層
36 p型GaNコンタクト層
Claims (25)
- GaNを含む第1導電型の第1半導体層と、
GaNを含む第1層およびInGaNを含む第2層を有する青色発光層が複数積層された積層構造を有し、前記第1半導体層の上に形成され、前記第2層で生成される青色光が外部に取り出される光の発光波長に寄与しない青色発光部、ならびに、GaNを含む第3層およびInGaNを含む第4層を有する緑色発光層が複数積層された積層構造を有し、前記青色発光部の上に形成され、前記第4層で生成される緑色光が外部に取り出される光の発光波長に寄与する緑色発光部を含む発光層と、
GaNを含み、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、を含み、
前記青色発光部における複数の前記第2層は、0.06〜0.16のIn組成比率の範囲において前記緑色発光部に近づくにつれてIn組成比率が大きくなる順序で積層されており、
前記緑色発光部における複数の前記第4層は、前記青色発光層の前記第2層のIn組成比率を超える0.18〜0.23のIn組成比率の範囲において一定のIn組成比率で積層されている、半導体発光素子。 - 前記青色発光部における複数の前記第2層は、一定の厚さで積層されており、
前記緑色発光部における複数の前記第4層は、一定の厚さで積層されている、請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記青色発光部における複数の前記第2層は、前記緑色発光部に近づくにつれてIn組成比率が一定の割合で大きくなる順序で積層されている、請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記青色発光部および前記緑色発光部の間で互いに隣り合う前記第2層および前記第4層のIn組成比率の増加割合は、複数の前記第2層のIn組成比率の増加割合と同じ値である、請求項3に記載の半導体発光素子。
- 不純物無添加のGaNからなり、前記主面の上に形成されたバッファ層をさらに含み、
前記第1半導体層は、前記バッファ層の上に形成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - GaNを含む第5層およびInGaNを含む第6層が交互に複数積層された積層構造を有し、前記第1半導体層の上に形成された中間バッファ層をさらに含み、
前記発光層は、前記中間バッファ層の上に形成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記中間バッファ層の前記第6層は、前記青色発光部の前記第2層のIn組成比率未満のIn組成比率を有している、請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記中間バッファ層の前記第6層は、0.01〜0.05のIn組成比率を有している、請求項6または7に記載の半導体発光素子。
- 不純物無添加のGaNを含み、前記発光層および前記第2半導体層の間に介在し、前記緑色発光部の前記第4層に接するファイナルバリア層をさらに含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- AlGaNを含み、前記第2半導体層および前記ファイナルバリア層の間に介在する第2導電型の電子阻止層を含む、請求項9に記載の半導体発光素子。
- 前記青色発光部は、不純物無添加のGaNを含む前記第1層、および、不純物が添加されたInGaNを含む前記第2層を有している、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記緑色発光部は、不純物無添加のGaNを含む前記第3層、および、不純物が添加されたInGaNを含む前記第4層を有している、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記青色発光層の前記第2層は、前記青色発光層の前記第1層の厚さを超える厚さを有している、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記緑色発光層の前記第4層は、前記緑色発光層の前記第3層の厚さを超える厚さを有している、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記緑色発光部に係る複数の前記第4層は、前記青色発光部に係る複数の前記第2層と等しい厚さで形成されている、請求項1〜14のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2半導体層は、鏡面からなる光取り出し面を有している、請求項1〜15のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層は、前記発光層外の領域に引き出された引き出し部を有している、請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層の前記引き出し部に接合された第1電極と、
前記第2半導体層の表面に接合された第2電極と、をさらに含む、請求項17に記載の半導体発光素子。 - 前記第1電極は、Ti層およびAl層から構成され、
前記第2電極は、Ti層およびAl層から構成されている、請求項18に記載の半導体発光素子。 - 前記第2電極および前記第2半導体層の間に介在する透明電極をさらに含む、請求項18または19に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、60nm〜150nmの総厚さを有している、請求項1〜20のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記青色発光部は、410nm〜490nmのピーク発光波長を有する青色光を生成し、
前記緑色発光部は、500nm〜550nmのピーク発光波長を有する緑色光を生成する、請求項1〜21のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 透明基板をさらに含み、
前記第1半導体層は、前記透明基板の上に形成されている、請求項1〜22のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記透明基板は、六方晶基板からなり、極性面の面方位からm軸方向に0.3°以上のオフ角を有する主面を含み、
前記第1半導体層は、前記透明基板の前記主面の上に形成されている、請求項23に記載の半導体発光素子。 - 前記透明基板は、サファイア基板、GaN基板、ZnO基板、AlN基板またはSiC基板からなる、請求項24に記載の半導体発光素子。
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