JP2020177965A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を煩雑にすることなく基板の反りを抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】４００μｍ以上の厚さを有する基板層上１０に位置するｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層３０と、ＡｌＧａＮにより形成された障壁層５１、５２及び井戸層５０Ａとを含む活性層５０と、電子ブロック層と、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層７０及びｐ型コンタクト層８０と、がこの順に積層され、８μｍ未満の厚さを有する半導体層、を備える窒化物半導体発光素子１。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

近年、青色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実用化されており、発光出力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）。

特許文献１には、サファイアウェハの第１面上に窒化物半導体層を積層したウェハから個々の紫外線発光素子に分割する紫外線発光素子の製造方法であって、前記ウェハの前記窒化物半導体層側から前記サファイアウェハの厚み方向の途中まで到達する割溝を形成する第１工程と、前記第１工程の後に前記ウェハの厚みを薄くするように前記ウェハを前記サファイアウェハの第２面側から研磨する第２工程と、前記第２工程の後に前記割溝に沿って前記ウェハを分割する第３工程と、を備えることを特徴とする紫外線発光素子の製造方法が記載されている。

特開２０１５−２９０３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法によれば、基板に割溝を形成する第１工程を備えることによって、製造工程が煩雑になる虞がある。

そこで、本発明は、製造工程を煩雑にすることなく基板の反りを抑制することができる窒化物半導体発光素子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、４００μｍ以上の厚さを有する基板層上に位置するｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮにより形成された障壁層及び井戸層とを含む活性層と、電子ブロック層と、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層と、がこの順に積層され、８μｍ未満の厚さを有する半導体層、を備える窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、製造工程を煩雑にすることなく基板の反りを抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。 サファイア基板の厚みと反りの量との関係を調べた測定結果の一例を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。

本発明の実施の形態について、図面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。

また、以下の説明において、窒化物半導体発光素子がフェイスアップ型であるかフリップチップ型であるかに依らず、「上」とは、一律にｐ側電極９２（図１参照）側を示し、「下」とは、一律に基板層１０（図１参照）側を指すものとする。なお、特に記述のない限り、「上」又は「下」とは、一つの対象物と他の対象物との相対的な位置関係を示すものとし、当該一つの対象物が第三対象物を間に挟まずに当該他の対象物の上又は下に配置されている状態のみならず、当該一つの対象物が第三対象物を間に挟んで当該他の対象物の上又は下に配置されている状態も含むものとする。

［第１の実施の形態］
（窒化物半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成の一例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）には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が含まれる。本実施の形態では、発光素子１として、中心波長が２５０ｎｍ〜３６０ｎｍ（好ましくは、２９５ｎｍ〜３６０ｎｍ）の紫外光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に挙げて説明する。

図１に示すように、発光素子１は、基板層１０と、半導体層１００と、ｎ側電極９０と、ｐ側電極９２とを含んで構成されている。半導体層１００は、ｎ型クラッド層３０と、障壁層５１と井戸層５２とを含む活性層５０と、電子ブロック層６０と、ｐ型クラッド層７０と、ｐ型コンタクト層８０と、をこの順に積層させて構成されている。以下、各構成要素について説明する。

〔基板層１０〕
（１）基板層１０の構成
基板層１０は、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成されたサファイア基板１１と、このサファイア基板１１上に形成されたバッファ層１２とを含んで構成されている。なお、基板層１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されたＡｌＮ単結晶基板でもよい。この場合、バッファ層１２は、必ずしも含まなくてもよい。

（２）サファイア基板１１
サファイア基板１１には、表面上の点が（０００１）面に対応する基準面に対して直交する方向に変位する現象、すなわち「反り」が生じている。図２は、サファイア基板１１の厚みとサファイア基板１１の反りの量との関係を調べた測定結果の一例を示すグラフ図である。なお、図２に示すデータは、後述する半導体層１００の厚みが約４μｍの場合のサファイア基板１１の厚みとサファイア基板１１の反りの量との関係である。ここでは、反りの量（μｍ）は、サファイア基板１１の表面の中心部が上述の基準面に対して基準面に直交する方向に変位した量として求めた。また、発明者らは、２つのサファイア基板１１をサンプルとして用意してそれぞれ厚みと反りの量とを測定した。

図２に示すように、サファイア基板１１の厚みを増すと、反りの量は小さくなる。例えば、反りの量は、サファイア基板１１の厚みの１．５〜１．６乗に反比例する。サファイア基板１１を加工してチップ化するためには、反りの量を一定以下にすることが好ましい。例えば、サファイア基板１１は、４００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲の厚みを有する。サファイア基板の反りの量は、１８０μｍ以下に抑えられていることが好ましく、この場合、サファイア基板１１の厚みは、４００μｍ以上にする必要がある。

（２）バッファ層１２
バッファ層１２は、ＡｌＮにより形成されている。換言すれば、基板層１０の半導体層１００側の表面、より具体的にはｎ型クラッド層３０側の表面（以下、「最表面」ともいう）は、ＡｌＮで形成されている。バッファ層１２の最表面の粗さは、２Åよりも大きく、好ましくは、１０Å以上５０Å以下である。また、バッファ層１２は、１．０μｍから４．５μｍの厚みを有する。バッファ層１２は、単層でも多層構造でもよい。

〔半導体層１００〕
半導体層１００を構成する半導体には、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）にて表される２元系又は３元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。

半導体層１００は、ｎ型クラッド層３０と、障壁層５１と井戸層５２とを含む活性層５０と、電子ブロック層６０と、ｐ型クラッド層７０と、ｐ型コンタクト層８０と、をこの順に含んで構成されている。半導体層１００は、８μｍ未満の厚みを有する。好ましくは、半導体層１００は、２μｍ以上６μｍ以下の厚みを有する。

（１）ｎ型クラッド層３０
ｎ型クラッド層３０は、基板層１０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」又は「ｎ−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ＡｌＧａＮ層である。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を形成するＡｌ組成比（「ＡｌＮモル分率」ともいう）は、２０％以上であり、好ましくは、２５％以上５５％以下である。ｎ型クラッド層３０は、１μｍ〜４μｍ程度の厚みを有し、例えば、３μｍ程度の厚みを有している。ｎ型クラッド層３０は、単層でもよく、多層構造でもよい。

（２）活性層５０
活性層５０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。活性層５０は、ｎ型クラッド層３０側に位置する１つの障壁層５１、及び後述する電子ブロック層６０側（すなわち、厚み方向におけるｎ型クラッド層３０の反対側）に位置する１つの井戸層５２により構成された単一の量子井戸構造５０Ａを含んで構成されている。また、活性層５０は、波長３６０ｎｍ以下の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。障壁層５１は、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の厚みを有する。また、井戸層５２は、例えば、１ｎｍ〜５ｎｍの範囲の厚みを有する。

障壁層５１及び井戸層５２はともに、ＡｌＧａＮにより形成されている。具体的には、障壁層５１は、Ａｌ_ｒＧａ_１−ｒＮを含んで構成され、井戸層５２は、Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓＮを含んで構成される（０≦ｒ≦１、０≦ｓ≦１、ｒ＞ｓ）。すなわち、障壁層５１を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、井戸層５２を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比よりも大きい。なお、量子井戸構造５０Ａ内における１つの障壁層５１及び１つの井戸層５２の配置は、上述したものに限定されるものではなく、配置の順序は上述した順序と逆でもよい。

（３）電子ブロック層６０
電子ブロック層６０は、活性層５０上に形成されている。電子ブロック層６０は、ｐ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｐ型ＡｌＧａＮ」又は「ｐ−ＡｌＧａＮ」ともいう）により形成された層である。電子ブロック層６０は、１ｎｍ〜３０ｎｍ程度の厚みを有している。なお、電子ブロック層６０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６０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。

（４）ｐ型クラッド層７０
ｐ型クラッド層７０は、電子ブロック層６０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ＡｌＧａＮクラッド層である。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、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚みを有し、例えば、５０ｎｍ〜８００ｎｍ程度の厚みを有する。

（５）ｐ型コンタクト層８０
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。

〔電極〕
（１）ｎ側電極９０
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。

（２）ｐ側電極９２
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。

〔その他の構成〕
なお、バッファ層１２の上にアンドープのｕ−ＡｌＧａＮ層がさらに設けてもよい。また、基板層１０には、ＡｌＮ基板の他に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板を用いてもよい。

（発光素子１の製造方法）
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、サファイア基板１１上にバッファ層１２を高温成長させて最表面がＡｌＮである基板層１０を作製する。次に、この基板層１０上にｎ型クラッド層３０、活性層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０を積層して、所定の直径（例えば、５０ｍｍ）の円盤状の形状を有する窒化物半導体積層体（「ウエハ」又は「ウェハ」ともいう）を形成する。

これらｎ型クラッド層３０、活性層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０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。

次に、ｐ型クラッド層７０の上にマスクを形成し、活性層５０、電子ブロック層６０、及びｐ型クラッド層７０においてマスクが形成されていないぞれぞれの露出領域を除去する。活性層５０、電子ブロック層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。このウエハを所定の寸法に切り分けることにより、図１に示す発光素子１が形成される。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子１の構成の一例を概略的に示す断面図である。第２の実施の形態に係る発光素子１は、第１の実施の形態に係る発光素子１の単一の量子井戸構造５０Ａに代えて、多重量子井戸層を有する点で第１の実施の形態の発光素子１と相違する。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図３に示すように、第１の実施の形態に係る単一の量子井戸構造５０Ａに代えて、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５２ａを含む３層の障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃとＡｌ_ｓＧａ_１−ｓＮを含んで構成される３層の井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃ（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んでもよい。

なお、障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃ及び井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃの数は、３層に限定されるものではなく、２層でもよく、４層以上でもよい。障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃ及び井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃを形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、適宜調整してよい。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る発光素子１では、ｎ型クラッド層３０からｐ型コンタクト層８０までの半導体層１００の厚みを一定未満（例えば、８μｍ未満）とした構成において、サファイア基板１１の厚みを一定以上（例えば、４５０μｍ以上）とすることにより、サファイア基板１１の反りの量を一定以下（例えば、１５０μｍ以下）に抑制することができる。これにより、例えば、上述した特許文献１に記載の割溝を形成する工程を得ずにサファイア基板１１の反りの量を一定以下に抑制することができる。すなわち、製造工程を複雑にすることなく、サファイア基板１１の反りの量を一定以下に抑制することができる。このようにすることで、ウエハを加工してチップ化する工程を煩雑化せず、発光素子１の生産性を向上させることができる。

なお、上述した効果は、Ａｌ組成比が比較的小さいＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層３０（Ａｌ組成比が、０．２５以上０．５５以下。発光素子１の中心波長が２９５ｎｍから３６０ｎｍに相当するの紫外光を発光する発光素子１）について特に有効である。

（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］４００μｍ以上の厚さを有する基板層（１０）上に位置するｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層（３０）と、ＡｌＧａＮにより形成された障壁層（５１）及び井戸層（５２）とを含む活性層（５０）と、電子ブロック層（６０）と、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層（７０）及びｐ型コンタクト層（８０）と、がこの順に積層され、８μｍ未満の厚さを有する半導体層（１００）を備える、窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記半導体層（１００）は、２μｍ以上６μｍ以下の厚さを有する、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記基板層（１０）は、反りの量が一定以下に抑えられたサファイア基板（１１）を含む、前記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記サファイア基板の反りの量は、１８０μｍ以下に抑えられている、前記［３］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］前記ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、２５％以上５５％以下であり、中心波長が２９５ｎｍから３６０ｎｍの紫外線を発光する、前記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［６］前記基板層（１０）は、前記ｎ型クラッド層（３０）側に位置して、ＡｌＮで形成された表面を有するバッファ層（１２）をさらに備える、前記［１］から［５］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［７］前記バッファ層（１２）の前記ｎ型クラッド層（３０）側の前記表面の表面粗さは、２Åよりも大きい、前記［６］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。

１…窒化物半導体発光素子（発光素子）
１０…基板層
１１…サファイア基板
１２…バッファ層
１００…半導体層
３０…ｎ型クラッド層
３０ａ…露出面
５０…活性層
５０Ａ…量子井戸構造
５１，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ…障壁層
５２，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ…井戸層
６０…電子ブロック層
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 (7)

1. ４００μｍ以上の厚さを有する基板層上に位置するｎ型ＡｌＧａＮにより形成されたｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮにより形成された障壁層及び井戸層とを含む活性層と、電子ブロック層と、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成されたｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層と、がこの順に積層され、８μｍ未満の厚さを有する半導体層を備える、
   窒化物半導体発光素子。
2. 前記半導体層は、２μｍ以上６μｍ以下の厚さを有する、
   請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記基板層は、反りの量が一定以下に抑えられたサファイア基板を含む、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記サファイア基板の反りの量は、１８０μｍ以下に抑えられている、
   請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｎ型ＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、２５％以上５５％以下であり、
   中心波長が２９５ｎｍから３６０ｎｍの紫外線を発光する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記基板層は、前記ｎ型クラッド層側に位置して、ＡｌＮで形成された表面を有するバッファ層をさらに備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記バッファ層の前記ｎ型クラッド層側の前記表面の表面粗さは、２Åよりも大きい、
   請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。

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