JP2019169680A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ｎ電極のコンタクトのための熱処理温度が低減された縦型の紫外発光素子を提供すること。【解決手段】図１の発光素子は、ｎ層１１と、発光層１２と、ｐ層１３とが順に積層されたIII 族窒化物半導体からなる半導体層を有している。ｐ層１３上には、反射電極１４、支持基板１５、ｐパッド電極１６が順に設けられている。また、ｎ層１１裏面１１ａには改善層１７を介してｎ電極１８が設けられている。ｎ電極１８側から光を取り出す縦型の紫外発光素子である。改善層１７は、ｎ層１１の裏面１１ａとｎ電極１８との間に設けられている。改善層１７は、ｎ層１１よりもバンドギャップエネルギーの小さなｎ型のIII 族窒化物半導体からなる。また、改善層１７は、ｎ電極１８と同一の平面パターンである。【選択図】図１
Description
本発明は、III 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子およびその製造方法に関するものである。特に縦方向に導通を取る構造の発光素子およびその製造方法に関するものである。
従来のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子は、フリップチップ型の構造が多く採用されている。しかし、フリップチップ型では、ｐ電極とｎ電極が同一面側となり、半導体層のＡｌ組成比が高いため、電流の面内拡散が難しい。そこで、レーザーリフトオフなどの方法によって成長基板を除去し、その除去により露出するｎ層にｎ電極を形成して縦方向に導通を取る構造を採用することが考えられる。
特許文献１には、ＧａＮ基板を用いた縦型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子が記載されている。また、特許文献１には次のような記載がある。ＧａＮ基板の裏面は面方位が不均一であり、裏面にｎ電極を設けるとオーミック性が不安定となる。そこで、ＧａＮ基板裏面にＳｉドープのＧａＮからなるコンタクト層を全面に形成し、その後にコンタクト層にｎ電極を全面に形成することが記載されている。
特許文献２には、サファイア基板を用い、ｐ電極とｎ電極を同一面側に設けたIII 族窒化物半導体からなる紫外発光素子が記載されている。特許文献２では、ＡｌＧａＮからなるｎコンタクト層とｎ電極との間に、ｎコンタクト層よりもバンドギャップの小さなＡｌＧａＮ層を設けることにより、コンタクト抵抗を低減できることが記載されている。
成長基板の除去により露出するｎ層表面にｎ電極を形成する場合、そのｎ層表面は窒素極性面であり、ガリウム極性面に比べてコンタクト低減のための熱処理温度が２００℃程度高くなってしまう。さらに、紫外発光素子であるためｎコンタクト層はＡｌ組成比が高く、これにより熱処理温度はさらに高くなってしまう。特に発光波長が短いほどｎコンタクト層のＡｌ組成比を高くする必要があり、熱処理温度の高温化が顕著となる。そのため、発光波長が短い紫外発光素子では縦型の構造を採用することが困難であった。
そこで本発明の目的は、ｎ電極のコンタクトのための熱処理温度が低減されたIII 族窒化物半導体からなる縦型の紫外発光素子を提供することである。また、その紫外発光素子の製造方法を提供することである。
本発明は、縦型のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子の製造方法において、成長基板上に、III 族窒化物半導体からなるｎ層、発光層、ｐ層を順に積層する工程と、ｐ層上に反射電極を形成し、反射電極と支持基板とを接合する工程と、リフトオフにより成長基板を除去し、ｎ層裏面を露出させる工程と、ｎ層裏面に、バンドギャップエネルギーがｎ層のバンドギャップエネルギーよりも小さなｎ型III 族窒化物半導体からなる改善層を形成する工程と、改善層上にｎ電極を形成して熱処理する工程と、を有し、改善層は、ｎ層よりも面積が小さく、かつｎ電極を内包する平面パターンとする、ことを特徴とする発光素子の製造方法である。
また本発明は、縦型のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子において、III 族窒化物半導体からなるｎ層と、ｎ層上に位置するIII 族窒化物半導体からなる発光層と、発光層上に位置するIII 族窒化物半導体からなるｐ層と、ｐ層上に位置する反射電極と、反射電極上に位置する支持基板と、ｎ層の発光層側とは反対側の面に位置するｎ電極と、ｎ層とｎ電極との間に位置し、バンドギャップエネルギーがｎ層のバンドギャップエネルギーよりも小さなｎ型III 族窒化物半導体からなる改善層と、を有し、改善層は、ｎ層よりも面積が小さく、かつｎ電極を内包する平面パターンである、ことを特徴とする発光素子である。
改善層の平面パターンは、ｎ電極の平面パターンと同一であることが好ましい。改善層による光吸収を抑制することができる。
改善層の厚さは、２分子層以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。同様に改善層による光吸収を抑制することができる。
また、改善層のバンドギャップエネルギーは、４．６ｅＶ以下であることが好ましい。ｎ電極のコンタクトを良好とするために必要な熱処理温度をより低減することができる。
改善層は、任意の方法により成膜してよいが、スパッタ、ＰＳＤ、またはＭＢＥにより形成することが好ましい。
本発明によれば、ｎ電極とｎ層との間に改善層を設けているため、ｎ電極のコンタクトのための熱処理温度を低減することができる。そのため、縦型の紫外発光素子を容易に実現することができる。また、動作電圧の低減や、出力向上を図ることができる。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、実施例１の発光素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１の発光素子は、ｎ層１１と、発光層１２と、ｐ層１３とが順に積層されたIII 族窒化物半導体からなる半導体層を有している。ｐ層１３上には、反射電極１４、支持基板１５、ｐパッド電極１６が順に設けられている。また、ｎ層１１裏面１１ａには改善層１７を介してｎ電極１８が設けられている。実施例１の発光素子は、ｎ電極１８側から光を取り出す縦型の紫外発光素子である。
ｎ層１１は、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮからなる。厚さは０．５〜１０μｍ、Ｓｉ濃度は、１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 である。Ａｌ組成比は、発光層１２から放射される光を吸収しないように設定されていて、発光波長が短いほどＡｌ組成比は高くなる。具体的には、発光層よりも大きなバンドギャップとなるようにＡｌ組成比が設定されている。なお、発光波長が３６５ｎｍ以上の紫外領域である場合には、ｎ層１１はｎ−ＧａＮでもよい。ｎ層１１の表面のうちガリウム極性面の方には発光層１２が位置しており、他方の窒素極性面（裏面１１ａ）の方には改善層１７を介してｎ電極１８が位置している。またｎ層１１裏面１１ａのうち、改善層１７、ｎ電極１８が設けられていない領域には、角錐状の凹凸が設けられてる。このような凹凸を設けることで光取り出しを向上させている。
発光層１２は、ｎ層１１上に設けられている。発光層１２は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し回数は３〜１０である。なお、発光層はＳＱＷ構造であってもよい。
井戸層はIII 族窒化物半導体からなり、所望の紫外発光波長似合わせて材料が選択される。厚さは１分子層〜１５ｎｍである。ＧａＮの発光波長が３６５ｎｍ、ＡｌＮの発光波長が２１０ｎｍであるため、発光波長が３６５ｎｍより大きな紫外領域ではＩｎＧａＮを用い、Ｉｎ組成比により発光波長を調整する。発光波長が２１０〜３６５ｎｍでは、ＡｌＧａＮを用い、Ａｌ組成比によって発光波長を調整する。もちろん、ＡｌＧａＩｎＮを用いて、Ａｌ組成比とＩｎ組成比によって発光波長を調整してもよい。
障壁層は、井戸層よりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＮからなり、厚さは２〜１５ｎｍである。
ｐ層１３は、発光層１２上に位置しており、発光層１２側から順に、電子ブロック層、ホール拡散層、ｐコンタクト層を積層させた構造である。
電子ブロック層は、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮからなる。厚さは１〜５０ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０19〜１×１０21／ｃｍ3 である。Ａｌ組成比は発光層１２の障壁層よりも大きければよく、たとえば３０〜５０％である。電子ブロック層を設けることで発光層１２からｐ層１３側へと電子がオーバーフローすることを抑制している。
ホール拡散層は、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなる。厚さは２０〜１００ｎｍ、１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3 である。ホール拡散層によりホールが面内に十分に拡散するようにしている。
ｐコンタクト層は、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなる。厚さは２〜１０ｎｍ、１×１０20〜１×１０22／ｃｍ3 である。ｐコンタクト層を設けることで反射電極１４とのコンタクトを良好としている。
なお、ｎ層１１、発光層１２、ｐ層１３の構成は上記に限るものではなく、紫外発光素子の構成として知られている任意の構成を採用することができる。
反射電極１４は、ｐ層１３上の全面に設けられている。反射電極１４は、ｐ層１３にコンタクトを取る電極であり、発光層１２から放射される光をｎ層１１側へと反射させて光を取り出すために設けるものである。反射電極１４の材料は発光波長に対して高反射率の材料であり、たとえば、Ａｌ、Ｒｕ、Ｒｈなどである。また、Ｒｈ、Ａｇ、Ｎｉ、またはこれらの合金を用いることもできる。たとえば、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｌなどである。ここで「／」は積層を意味し、Ａ／ＢはＡ、Ｂの順に積層された構造であることを意味する。以下材料の説明において同様である。
支持基板１５は、反射電極１４上に設けられている。支持基板１５はIII 族窒化物半導体からなる半導体層を成長させるために用いる成長基板を除去する際に、ウェハを物理的に支持する基板である。支持基板１５は、導電性の材料からなり、たとえばＳｉやＧｅ、Ｗ、Ｍｏなどである。
ｐパッド電極１６は、支持基板１５上に設けられている。ｐパッド電極１６の材料は、たとえばＡｕである。
ｎ電極１８は、改善層１７を介してｎ層１１の裏面１１ａに設けられている。ｎ電極１８の材料は、たとえばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕである。ｎ電極１８の平面パターンは任意でよい。ただし、実施例１の発光素子はｎ電極１８側が光取り出し側であるため、ｎ電極１８は光を反射、吸収し、光取り出しを悪化させる要因となる。そのため、ｎ電極１８の面積はｎ層１１裏面１１ａの面積の１〜２０％とすることが好ましい。より好ましくは１〜１５％、さらに好ましくは１〜１０％以下である。
ｎ電極１８の材料は、上記以外にもＶ、Ｖ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ、Ｖ／Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｌ、などを用いることができる。
図２は、ｎ電極１８の平面パターンの一例を示した図である。図２（ａ）は、ｎ層１１裏面１１ａの中央に円を１つとしたパターンである。図２（ｂ）は、ｎ層１１裏面１１ａの４つの角部にそれぞれ円を配置したパターンである。図２（ｃ）は、ｎ層１１裏面１１ａの中央に円を１つ配置し、他の領域に小さなドットを格子状に配置し、各ドットと中央の円とを放射状ないしは矩形の配線により接続したパターンである。図２（ｂ）、（ｃ）の平面パターンによれば、電流の面内拡散性をより向上させることができる。
改善層１７は、ｎ層１１の裏面１１ａとｎ電極１８との間に設けられている。改善層１７は、ｎ層１１よりもバンドギャップエネルギーの小さなｎ型のIII 族窒化物半導体からなる。たとえば、ｎ−ＡｌＧａＮ、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ、ｎ−ＧａＮ、ｎ−ＩｎＧａＮ、ｎ−ＩｎＮである。形成の容易さの点からはｎ−ＧａＮが好ましい。ｎ型不純物は、Ｓｉである。他にもＧｅ、Ｏなどを用いることができる。なお、ｎ層１１が多層である場合には、ｎ層１１のうち改善層１７と接する層よりも改善層１７のバンドギャップが小さければよい。
改善層１７を設けない従来の場合、熱処理温度が高く、素子に熱ダメージを与えるため、紫外発光素子では実質的に縦型構造を採用することができなかった。熱処理温度が高くなる要因は以下の２つの理由である。第１に、ｎ層１１裏面１１ａは窒素極性面であるため、良好なコンタクトを取るために必要な熱処理温度をガリウム極性面の場合に比べて２００℃程度上げない必要があるからである。窒素極性面はＮに対するボンド数が３と多く、結合を引き離す際のエネルギーが高くなり、そのために熱処理温度が高くなるのである。第２に、紫外発光素子では発光層１２から放射される紫外線を吸収しないようにｎ層１１のＡｌ組成比を高くする必要がある。良好なコンタクトを取るために必要な熱処理温度はＡｌ組成比が高いほど高くなる。
これに対し、実施例１では、ｎ電極１８とｎ層１１との間にｎ型III 族窒化物半導体からなる改善層１７を設け、その改善層１７のバンドギャップエネルギーをｎ層１１のバンドギャップエネルギーよりも小さくしている。これにより、ｎ層１１のＡｌ組成比を小さくするのと同等の効果が得られ、ｎ電極１８がｎ層１１裏面１１ａに対して良好なコンタクトを取るために必要な熱処理温度を低減することができる。
改善層１７のバンドギャップエネルギーは、４．６ｅＶ以下とすることが好ましい。ｎ電極１８のコンタクトを良好とするために必要な熱処理温度をより低減するためである。より好ましくは４ｅＶ以下、さらに好ましくは３．４ｅＶ以下である。また、同様の理由により、ｎ層１１と改善層１７とのバンドギャップエネルギーの差は、０．１ｅＶ以上とすることが好ましい。より好ましくは０．７ｅＶ以上、さらに好ましくは１．３ｅＶ以上である。
また、改善層１７は、ｎ電極１８と同一の平面パターンである。これにより、改善層１７が設けられる面積をなるべく減少させ、改善層１７による光の吸収を抑えている。改善層１７は必ずしもｎ電極１８と同一パターンとする必要はなく、ｎ層１１裏面１１ａよりも面積が小さく、かつ平面視においてｎ電極１８を内包するパターンであればよい。ただし、改善層１７による光吸収をより低減するためには、ｎ層１１裏面１１ａの面積の２０％以下とすることが好ましく、ｎ電極１８の面積に近いことが好ましい。たとえばｎ電極１８の面積の１〜１．２倍とすることが好ましく、最も好ましいのは実施例１のように改善層１７とｎ電極１８の平面パターンを同一とすることである。
改善層１７の厚さは、発光波長の１／４よりも薄くすることが好ましい。改善層１７による光吸収をより低減することができる。同様の理由により、改善層１７の厚さは２００ｎｍ以下とすることが好ましい。改善層１７は２分子層以上あればよい。良好にコンタクトを取るためには０．５〜２００ｎｍとすることが好ましく、さらに光吸収を考慮すると０．５〜１００ｎｍとすることが好ましい。さらに好ましくは１〜２０ｎｍである。
改善層１７のｎ型不純物濃度は、１×１０17〜５×１０20／ｃｍ3 とすることが好ましい。この範囲であれば、ｎ電極１８とｎ層１１とがより良好にコンタクトを取ることができる。より好ましくは、１×１０18〜５×１０20／ｃｍ3 である。
実施例１の発光素子の発光波長は紫外線領域であり、たとえば２２０〜３８０ｎｍである。特に発光波長が２３０〜３５０ｎｍ、さらには２５０〜３００ｎｍである場合に本発明は好適である。このような短い波長では、従来はｎ電極１８のコンタクトのための熱処理温度が高すぎ、縦型の構造を採用することはできなかったが、本発明によればそのような波長であってもｎ電極１８のコンタクトが取れるため縦型の構造を採用することができる。
以上、実施例１の発光素子は、ｎ電極１８とｎ層１１との間に改善層１７が設けられているため、ｎ電極１８とｎ層１１裏面１１ａに対して良好なコンタクトを取るために必要な熱処理温度を低減することができる。そのため、熱処理ダメージの抑制された縦型の紫外発光素子を実現できる。またその結果、発光素子の動作電圧を低減することができ、光出力を向上させることができる。
次に、実施例１の発光素子の製造方法について、図３を参照に説明する。
まず、サファイアからなる成長基板２０上に、結晶成長の核となるＡｌＮ核層（図示しない）を形成し、次いでＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を形成する。さらにバッファ層上に、減圧ＭＯＣＶＤ法によってIII 族窒化物半導体からなるｎ層１１、発光層１２、ｐ層１３を順に積層する（図３（ａ）参照）。圧力は、０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は８００〜１４００℃である。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスには、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｎ源としてアンモニア、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、ｎ型ドーパントガスとしてシランを用いる。キャリアガスには通常、水素を用い、Ｉｎを含む層を形成する場合にのみキャリアガスとして窒素を用いる。
次に、ｐ層１３上にスパッタや蒸着によって反射電極１４を形成する。次に、一方の表面にｐパッド電極１６が形成された支持基板１５を用意し、支持基板１５の他方の表面と反射電極１４とを貼り合わせる。張り合わせの際、Ａｕ−Ｓｎなどのはんだ層（図示しない）を形成しておき、加熱、圧着して反射電極１４と支持基板１５とを接合する（図３（ｂ）参照）。なお、ｐパッド電極１６は接合後に形成してもよい。
次に、レーザーリフトオフにより成長基板２０を除去する。レーザーリフトオフでは、成長基板２０とバッファ層を透過してｎ層１１で光が吸収される波長のレーザー光を用いる。このような波長のレーザー光を成長基板２０裏面側から照射することで、ｎ層１１を分解し、バッファ層とｎ層１１との界面で分離させることで成長基板２０を除去する（図３（ｃ）参照）。なお、ｎ層１１中に光吸収用の層を設けることでレーザーリフトオフによる成長基板２０除去を容易とすることもできる。
なお、レーザーリフトオフ以外の基板リフトオフ法を用いてもよい。たとえば、ケミカルリフトオフを用いてもよい。これは、薬液により溶解可能な層を導入し、支持基板と接合後に薬液によりその溶解可能な層を溶解させることにより、基板を除去する方法である。
次に、成長基板２０の除去により露出したｎ層１１裏面１１ａのうち、次工程で改善層１７を設ける領域を除いて、ウェットエッチングによって凹凸を設ける。エッチング溶液は、たとえばＴＭＡＨ、水酸化ナトリウム、リン酸などである。これらのエッチング溶液は異方性を有しており、微小な角錐状の凹凸が形成される。
次に、成長基板２０の除去により露出したｎ層１１裏面１１ａに、ｎ層１１よりもバンドギャップの小さなｎ型III 族窒化物半導体からなる改善層１７を形成する（図３（ｄ）参照）。改善層１７は、スパッタにより形成する。また、改善層１７の平面パターンは次工程で形成するｎ電極１８の平面パターンと同一である。
なお、改善層１７の成膜方法はスパッタに限るものではない。ＰＳＤ（パルススパッタ法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤなどの成膜方法を用いることができる。特にｎ型不純物のドープしやすさからスパッタ、ＰＳＤ、ＭＢＥが好ましい。また、ｎ型不純物は改善層１７の成膜後に導入してもよい。
次に、改善層１７上に蒸着やスパッタによってｎ電極１８を形成する（図３（ｅ）参照）。ｎ電極１８の平面パターンは改善層１７の平面パターンと同一である。次に、ｎ電極１８がｎ層１１裏面１１ａに対して良好にコンタクトするように、窒素雰囲気で熱処理を行う。熱処理の雰囲気は、窒素意外にＡｒなどの不活性ガスでもよく、また真空であってもよい。
ここで、良好なコンタクトを得るために必要な熱処理温度は、改善層１７を設けない場合に比べて低減することができる。そのため、素子への熱ダメージを軽減することができる。たとえば、ｎ層１１のＡｌ組成比が７０％の場合、改善層１７がないと熱処理温度はおよそ１０００℃とする必要があった。しかし、ｎ−ＧａＮからなる改善層１７を設ければ、熱処理温度はおよそ７００℃とすることができる。以上が実施例１の発光素子の製造工程である。
本発明の発光素子は、殺菌、照明、樹脂硬化などに使用することができる。
１１：ｎ層
１２：発光層
１３：ｐ層
１４：反射電極
１５：支持基板
１６：ｐパッド電極
１７：改善層
１８：ｎ電極
１２：発光層
１３：ｐ層
１４：反射電極
１５：支持基板
１６：ｐパッド電極
１７：改善層
１８：ｎ電極
Claims (9)
- 縦型のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子の製造方法において、
成長基板上に、III 族窒化物半導体からなるｎ層、発光層、ｐ層を順に積層する工程と、
前記ｐ層上に反射電極を形成し、前記反射電極と支持基板とを接合する工程と、
リフトオフにより前記成長基板を除去し、ｎ層裏面を露出させる工程と、
前記ｎ層裏面に、バンドギャップエネルギーが前記ｎ層のバンドギャップエネルギーよりも小さなｎ型III 族窒化物半導体からなる改善層を形成する工程と、
前記改善層上にｎ電極を形成して熱処理する工程と、
を有し、
前記改善層は、前記ｎ層よりも面積が小さく、かつ前記ｎ電極を内包する平面パターンとする、
ことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記改善層の平面パターンは、前記ｎ電極の平面パターンと同一とする、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
- 前記改善層は、スパッタ、ＰＳＤ、またはＭＢＥにより形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子の製造方法。
- 前記改善層の厚さは、２分子層以上２００ｎｍ以下とする、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記改善層のバンドギャップエネルギーは、４．６ｅＶ以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 縦型のIII 族窒化物半導体からなる紫外発光の発光素子において、
III 族窒化物半導体からなるｎ層と、
前記ｎ層上に位置するIII 族窒化物半導体からなる発光層と、
前記発光層上に位置するIII 族窒化物半導体からなるｐ層と、
前記ｐ層上に位置する反射電極と、
前記反射電極上に位置する支持基板と、
前記ｎ層の前記発光層側とは反対側の面に位置するｎ電極と、
前記ｎ層と前記ｎ電極との間に位置し、バンドギャップエネルギーが前記ｎ層のバンドギャップエネルギーよりも小さなｎ型III 族窒化物半導体からなる改善層と、
を有し、
前記改善層は、前記ｎ層よりも面積が小さく、かつ前記ｎ電極を内包する平面パターンである、
ことを特徴とする発光素子。 - 前記改善層の平面パターンは、前記ｎ電極の平面パターンと同一である、ことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記改善層の厚さは、２分子層以上２００ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の発光素子。
- 前記改善層のバンドギャップエネルギーは、４．６ｅＶ以下である、ことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子。
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