JP2022070406A - 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
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Abstract
Description
本発明の実施の形態について、図1乃至図8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。
図1は、本形態の窒化物半導体発光素子1の構成を概略的に示す図である。なお、図1において、窒化物半導体発光素子1の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。以下、窒化物半導体発光素子1を、単に「発光素子1」ということもある。
基板2は、サファイア(Al2O3)単結晶を含むサファイア基板である。なお、基板2には、サファイア基板の他に、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3は、窒化アルミニウムにより形成されている。また、基板2が、AlN基板またはAlGaN基板である場合、バッファ層3は、必ずしも設けなくてもよい。
n型クラッド層4は、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAlqGa1-qNからなる。n型クラッド層4の組成AlqGa1-qNの下付きのqは、n型クラッド層4のAl組成比を示し、0<q≦1を満たす。本形態において、n型クラッド層4を形成するAlGaNのAl組成比は、50%以上60%以下である。すなわち、qは、0.5≦q≦0.6を満たす。nクラッド層4を形成するAlGaNのAl組成比は、活性層5における後述の井戸層52を形成するAlGaNのAl組成比よりも大きい範囲において、可能な限り小さい値であることが好ましい。また、本形態において、n型クラッド層4のドーパント濃度(Si濃度)は、0.5×1019[atoms/cm3]以上2.5×1019[atoms/cm3]以下である。なお、n型クラッド層4にドープするn型の不純物としては、シリコンに代えて、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)等を用いてもよい。また、n型クラッド層4の構造は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。
活性層5は、n型クラッド層4側の端に障壁層51が位置し、電子ブロック層6側の端に井戸層52が位置し、3つの障壁層51と3つの井戸層52とが交互に積層された多重量子井戸構造(量子井戸構造)を含んだ層である。活性層5は、多重量子井戸構造内で電子及びホールを再結合させて所定の波長の光を発生させる。本形態においては、活性層5は、波長365nm以下の深紫外光が出力できるよう3.4eV以上のバンドギャップとなるように構成されている。特に本形態において、活性層5は、中心波長が200nm以上365nm以下の深紫外光を発生することができるよう構成されている。なお、障壁層51及び井戸層52の数は3つずつに限定されるものではなく、それぞれ2つずつ設けてもよいし、それぞれ4つ以上ずつ設けてもよい。また、障壁層51及び井戸層52がそれぞれ1つずつ設けられた単一量子井戸構造の構成であってもよい。
電子ブロック層6の第1層61は、活性層5上に形成されている。第1層61は、活性層5を通過する電子がp型コンタクト層7側へリークするオーバーフロー現象の発生を抑制することによって活性層5への電子注入効率を向上させる役割を有する。すなわち、第1層61は、n型クラッド層4側から活性層5を上側に通過した電子を、活性層5側に反射させる役割を有する。
電子ブロック層6の第2層62は、第1層61上に形成されている。まず、第1層61上に第2層62を設けた理由の1つについて説明する。
図2(a)は、第2層62における積層方向のAl組成比分布の一例を示す図である。図2(a)乃至(c)においては、グラフ右側が第1層61側(すなわち下側)であり、グラフ左側がp型コンタクト層7側(すなわち上側)である。なお、図2(b)及び(c)については後述する。
第2層62には、積層方向の一部の領域に、n型不純物としてシリコンが含有されている。なお、n型不純物としては、シリコンに加えて酸素(O)が含まれていてもよい。発光素子1の製造途中において、第2層62が大気に触れ、シリコンが酸化した場合等においては、意図せず第2層62に酸素が含まれることがある。また、n型不純物としては、ゲルマニウム、セレン、又はテルル等を用いてよい。
本形態において、第2層62のそれぞれには、p型不純物としてマグネシウム(Mg)が含有されている。なお、p型不純物としては、亜鉛、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又は炭素等を用いることも可能である。第2層62全体のp型不純物濃度は、第1層61のp型不純物濃度以上であり、後述のp型コンタクト層7のp型不純物濃度未満である。
p型コンタクト層7は、p型半導体層を構成するものであり、図1に示すごとく、第2層62上に形成されている。p型コンタクト層7は、p側電極12とのオーミックコンタクトを形成するための層である。本形態において、p型コンタクト層7は、p型不純物としてマグネシウムが高濃度にドープされたp型のGaN層である。GaNとは、ガリウムと窒素との2元混晶である。p型コンタクト層7のp型不純物濃度は、例えば5.0×1019~5.0×1021[atoms/cm3]とすることができる。なお、p型コンタクト層7は、例えば、10%以下のAl組成比を有するp型AlGaNによって形成された層でもよい。また、p型不純物としては、亜鉛、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又は炭素等を用いることも可能である。
n側電極11は、n型クラッド層4における活性層5からの露出面41上に形成されている。n側電極11は、例えば、n型クラッド層4上にチタン(Ti)、アルミニウム、チタン、及び金(Au)が順に積層された多層膜で形成される。
p側電極12は、p型コンタクト層7上に形成されている。p側電極12は、例えば、ロジウム(Rh)からなる。p側電極12は、紫外線の反射率が大きい材料で構成されるのが好ましい。
次に、本形態における発光素子1の製造方法について説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)により、基板2上にバッファ層3、n型クラッド層4、活性層5、第1層61、第2層62、及びp型コンタクト層7を順にエピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に基板2を設置し、基板2上に形成される各層の原料となるキャリアガスをチャンバ内に導入することによって基板2上に各層が形成される。各層をエピタキシャル成長させためのキャリアガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム(TMA)、ガリウム源としてトリメチルガリウム(TMG)、窒素源としてアンモニア(NH3)、シリコン源としてテトラメチルシラン(TMSi)、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いることができる。各層をエピタキシャル成長させるための成長温度、成長圧力、及び成長時間等の製造条件については、各層の構成に応じた一般的な条件とすることができる。
基板2上にバッファ層3、n型クラッド層4、活性層5、及び第1層61が順に形成された後、第1層61上に第2層62が形成される。第2層62を形成するにあたっては、第1工程、第2工程、及び第3工程をこの順に行う。
本形態の第2層62は、積層方向のn型不純物濃度分布において、n型不純物濃度ピークを少なくとも1つ有する。それゆえ、活性層5へのp型不純物の拡散を抑制することができる結果、発光効率の向上、及び長寿命化を図ることができる。このことについて以下説明する。
次に、発光素子1の実施例につき説明する。本実施例の発光素子1は、前記実施の形態における発光素子1と同様の製造方法によって製造され、前記実施の形態における発光素子1の基本構成と同様の構成を有する。なお、以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
次に、発光素子1の比較例につき説明する。本比較例の発光素子は、前記実施の形態に対して、第2層62のAl組成比を積層方向に一様にしたものである。本比較例の発光素子は、Al組成比ピークP1、n型不純物濃度ピークP2、及びp型不純物濃度ピークP3を有さない。また、本比較例の発光素子は、第2層62とp型コンタクト層7との間に、p型クラッド層が設けられている。p型クラッド層は、第2層62のAl組成比とp型コンタクト層7のAl組成比との間のAl組成比を有するとともに、p型不純物がドープした層である。本比較例の発光素子のその他の構成は、前記実施の形態における発光素子1と同様である。また、本比較例の発光素子の製造方法は、前記実施の形態における発光素子1の製造方法と同様である。本比較例の発光素子における各層の厚み、Al組成比、Si濃度(すなわちn型不純物濃度、及びMg濃度(すなわちp型不純物濃度)を下記の表2に示す。
実施例の発光素子1における初期発光出力と比較例の発光素子における初期発光出力とを比較する。初期発光出力は、製造直後の発光素子の発光出力である。実施例及び比較例のそれぞれの発光素子に対して電流350mAを通電したときの、それぞれの発光素子の初期発光出力[mW]を測定した。発光出力の測定は、実施例及び比較例のそれぞれの発光素子の下側に設置した光検出器によって測定した。結果を図7のグラフに示す。
実施例の発光素子1における発光寿命と比較例の発光素子における発光寿命とを比較する。実施例及び比較例のそれぞれの発光素子に対して電流350mAを所定時間通電した場合の、それぞれの発光素子の初期発光出力[mW]、及び通電後のそれぞれの発光素子の残存出力[mW]を測定した。今回は、実施例の発光素子1においては205時間継続して電流を流し、比較例の発光素子においては192時間継続して電流を流した。すなわち、発光寿命の評価の観点においては、実施例の発光素子1の方が比較例の発光素子よりも厳しい条件とした。そして、実施例及び比較例のそれぞれの発光素子における、初期発光出力に対する残存出力の割合を残存割合として算出した。結果を図8のグラフに示す。
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]n型半導体層(4)と、p型半導体層(7)と、前記n型半導体層(4)と前記p型半導体層(7)との間に設けられた活性層(5)と、前記活性層(5)と前記p型半導体層(7)との間に設けられた、少なくとも1層からなる電子ブロック層(6)と、を備え、前記電子ブロック層(6)の少なくとも1層は、積層方向のn型不純物濃度分布において、n型不純物濃度ピーク(P2)を有するピーク含有層であり、前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布において、前記n型不純物濃度ピーク(P2)は、極大値として現れるとともに、その積層方向位置から積層方向の両側に前記ピーク含有層の10%の厚さ(L)分だけ離れた位置同士の間の積層方向領域(R2)におけるn型不純物濃度の最小値に対して、10倍以上のn型不純物濃度を有する、窒化物半導体発光素子(1)。
[2]前記n型不純物濃度ピーク(P2)は、前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布におけるn型不純物濃度の最小値に対して、21倍以上のn型不純物濃度を有する、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[3]前記電子ブロック層(6)は、前記活性層(5)の上側に隣接するよう形成された第1層(61)と、前記第1層(61)の上側に形成された第2層(62)とを備え、前記第2層(62)は、前記ピーク含有層である、前記[1]又は前記[2]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[4]前記ピーク含有層は、積層方向のAl組成比分布において、Al組成比ピークを少なくとも1つ有する、前記[1]乃至前記[3]のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[5]n型半導体層(4)と、p型半導体層(7)と、前記n型半導体層(4)と前記p型半導体層(7)との間に設けられた活性層(5)と、前記活性層(5)と前記p型半導体層(7)との間に設けられた、少なくとも1層からなる電子ブロック層(6)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(6)の少なくとも1層を構成するピーク含有層の製造工程は、前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布においてn型不純物濃度ピーク(P2)が現れるよう前記ピーク含有層を形成し、前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布において、前記n型不純物濃度ピーク(P2)は、極大値として現れるとともに、その積層方向位置から積層方向の両側に前記ピーク含有層の10%の厚さ(L)分だけ離れた位置同士の間の積層方向領域におけるn型不純物濃度の最小値に対して、10倍以上のn型不純物濃度を有する、窒化物半導体発光素子(1)の製造方法。
[6]前記ピーク含有層の製造工程は、積層方向における前記ピーク含有層の一部領域に、SiNxを含有する窒化ケイ素含有部を形成する工程を含み、前記ピーク含有層は、積層方向のn型不純物濃度分布において、積層方向における前記窒化ケイ素含有部が存在する領域にn型不純物濃度ピーク(P2)を有する、前記[5]に記載の窒化物半導体発光素子(1)の製造方法。
11…n側電極
12…p側電極
2…基板
3…バッファ層
4…n型クラッド層(n型半導体層)
5…活性層
51…障壁層
52…井戸層
6…電子ブロック層
61…第1層
62…第2層(ピーク含有層)
600…窒化ケイ素含有部
601…高Al組成部
602…高n型不純物濃度部
603…高p型不純物濃度部
7…p型コンタクト層(p型半導体層)
P1…Al組成比ピーク
P2…n型不純物濃度ピーク
P3…p型不純物濃度ピーク
Claims (6)
- n型半導体層と、
p型半導体層と、
前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に設けられた活性層と、
前記活性層と前記p型半導体層との間に設けられた、少なくとも1層からなる電子ブロック層と、を備え、
前記電子ブロック層の少なくとも1層は、積層方向のn型不純物濃度分布において、n型不純物濃度ピークを有するピーク含有層であり、
前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布において、前記n型不純物濃度ピークは、極大値として現れるとともに、その積層方向位置から積層方向の両側に前記ピーク含有層の10%の厚さ分だけ離れた位置同士の間の積層方向領域におけるn型不純物濃度の最小値に対して、10倍以上のn型不純物濃度を有する、
窒化物半導体発光素子。 - 前記n型不純物濃度ピークは、前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布におけるn型不純物濃度の最小値に対して、21倍以上のn型不純物濃度を有する、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層は、前記活性層の上側に隣接するよう形成された第1層と、前記第1層の上側に形成された第2層とを備え、
前記第2層は、前記ピーク含有層である、
請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記ピーク含有層は、積層方向のAl組成比分布において、Al組成比ピークを少なくとも1つ有する、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - n型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層と前記p型半導体層との間に設けられた活性層と、前記活性層と前記p型半導体層との間に設けられた、少なくとも1層からなる電子ブロック層と、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の少なくとも1層を構成するピーク含有層の製造工程は、前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布においてn型不純物濃度ピークが現れるよう前記ピーク含有層を形成し、
前記ピーク含有層の積層方向のn型不純物濃度分布において、前記n型不純物濃度ピークは、極大値として現れるとともに、その積層方向位置から積層方向の両側に前記ピーク含有層の10%の厚さ分だけ離れた位置同士の間の積層方向領域におけるn型不純物濃度の最小値に対して、10倍以上のn型不純物濃度を有する、
窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記ピーク含有層の製造工程は、積層方向における前記ピーク含有層の一部領域に、SiNxを含有する窒化ケイ素含有部を形成する工程を含み、
前記ピーク含有層は、積層方向のn型不純物濃度分布において、積層方向における前記窒化ケイ素含有部が存在する領域にn型不純物濃度ピークを有する、
請求項5に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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