JP2022079200A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性を向上しつつ、光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１は、ｎ型コンタクト層１２と、ｎ型コンタクト層上に設けられた中間層２０とを含むｎ側半導体層１０と、中間層上に設けられた活性層３０と、活性層上に設けられたｐ側半導体層４０とを備える。中間層は、第１層２１と第２層２２とからなる積層部２３を少なくとも１つ含み、第１層は、ｎ型不純物とＡｌとＧａとを含むｎ型窒化物半導体層であり、第２層は、ＡｌとＧａとを含み、第１層よりもｎ型不純物濃度が低く、第１層の厚さよりも厚い窒化物半導体層である。第１層のＡｌ組成比は、第２層のＡｌ組成比よりも高い。
【選択図】図１
【解決手段】発光素子１は、ｎ型コンタクト層１２と、ｎ型コンタクト層上に設けられた中間層２０とを含むｎ側半導体層１０と、中間層上に設けられた活性層３０と、活性層上に設けられたｐ側半導体層４０とを備える。中間層は、第１層２１と第２層２２とからなる積層部２３を少なくとも１つ含み、第１層は、ｎ型不純物とＡｌとＧａとを含むｎ型窒化物半導体層であり、第２層は、ＡｌとＧａとを含み、第１層よりもｎ型不純物濃度が低く、第１層の厚さよりも厚い窒化物半導体層である。第１層のＡｌ組成比は、第２層のＡｌ組成比よりも高い。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光素子に関する。
特許文献１、２には、複数の窒化物半導体からなる層を積層させた発光素子が開示されている。このような窒化物半導体を用いた発光素子において、信頼性の向上と光取り出し効率の向上が求められている。
本発明の一実施形態は、信頼性を向上しつつ、光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、発光素子は、ｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層上に設けられた中間層とを含むｎ側半導体層と、前記中間層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられたｐ側半導体層と、を備え、前記中間層は、第１層と第２層とからなる積層部を少なくとも１つ含み、前記第１層は、ｎ型不純物とＡｌとＧａとを含むｎ型窒化物半導体層であり、前記第２層は、ＡｌとＧａとを含み、前記第１層よりもｎ型不純物濃度が低く、前記第１層の厚さよりも厚い窒化物半導体層であり、前記第１層のＡｌ組成比は、前記第２層のＡｌ組成比よりも高い。
本発明の一実施形態によれば、信頼性を向上しつつ、光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することができる。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。
図１は、本発明の一実施形態の発光素子１の模式断面図である。
発光素子１は、基板１００と、基板１００上に設けられたｎ側半導体層１０と、ｎ側半導体層１０上に設けられた活性層３０と、活性層３０上に設けられたｐ側半導体層４０と、ｎ側半導体層１０に接続されたｎ側電極５２と、ｐ側半導体層４０に接続されたｐ側電極５１とを含む。
ｎ側半導体層１０、活性層３０、およびｐ側半導体層４０は窒化物半導体からなる層である。本明細書において「窒化物半導体」とは、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むものも「窒化物半導体」に含まれるものとする。
基板１００は、例えばサファイア基板である。その基板１００上に、例えばＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により、ｎ側半導体層１０、活性層３０、およびｐ側半導体層４０が順に成長される。基板１００にサファイア基板を用いる場合、窒化物半導体層は、例えばサファイア基板のＣ面上に成長される。
ｎ側半導体層１０は、下地層１１と、下地層１１上に設けられたｎ型コンタクト層１２と、ｎ型コンタクト層１２上に設けられた中間層２０と、中間層２０上に設けられた超格子層２６とを含む。
中間層２０は、第１層２１と第２層２２とからなる積層部２３を少なくとも１つ含む。本実施形態では、中間層２０は、複数の積層部２３を含む。したがって、中間層２０は、複数の第１層２１と複数の第２層２２とを含む。第１層２１と第２層２２は交互に積層されている。例えば、１つの積層部２３において、第２層２２上に第１層２１が設けられている。中間層２０は、例えば、３個以上７個以下の積層部２３を含む。本実施形態では、中間層２０は、４個の積層部２３を含む。
第１層２１は、ｎ型不純物とＡｌとＧａとを含むｎ型窒化物半導体層である。第１層２１は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮ層である。第１層２１は、ｎ型不純物として、例えばシリコン（Ｓｉ）を含む。第１層２１のｎ型不純物濃度は、ｎ型コンタクト層１２のｎ型不純物濃度よりも低い。第１層２１のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下である。
第２層２２は、ＡｌとＧａとを含む窒化物半導体層である。第２層２２のｎ型不純物濃度は、第１層２１のｎ型不純物濃度よりも低い。第２層２２は、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ層である。ここで、アンドープの半導体層とは、導電性を制御するための不純物を意図的にドープするための原料ガス（例えばＳｉやＭｇを含むガス）を用いることなく形成された層であり、プロセス上不可避的に混入される不純物を含む場合もある。アンドープの半導体層のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以下である。
第２層２２の厚さは、第１層２１の厚さよりも厚い。例えば、第１層２１の一般式は、Ａｌａ１Ｇａ１－ａ１Ｎ（０＜ａ１＜１）であり、第２層２２の一般式は、Ａｌａ２Ｇａ１－ａ２Ｎ（０＜ａ２＜１）である。第１層２１のＡｌ組成比ａ１は、第２層２２のＡｌ組成比ａ２よりも高い。
ｎ側半導体層１０は、中間層２０と活性層３０との間に設けられた超格子層２６をさらに含む。超格子層２６は、格子定数の異なる複数の半導体層が交互に積層された積層構造を有する。超格子層２６は、例えば、複数のＧａＮ層と複数のＩｎＧａＮ層とを含む。超格子層２６は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に積層されている。例えば、超格子層２６は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とからなる積層部を１５個以上２５個以下含む。超格子層２６におけるＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とからなる１つの積層部の厚さは、中間層２０における１つの積層部２３の厚さよりも薄い。例えば、超格子層２６が含む１つのＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。例えば、超格子層２６が含む１つのＩｎＧａＮ層の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。
活性層３０は、光を発する発光層である。活性層３０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有するＭＱＷ（Multiple Quantum well）構造を有する。例えば、井戸層はＩｎＧａＮ層であり、障壁層はＧａＮ層である。活性層３０の発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下程度であり、青色光や緑色光を発する。活性層３０の井戸層のバンドギャップエネルギーは、中間層２０における各層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
ｐ側半導体層４０は、ｐ型窒化物半導体層を含む。ｐ型窒化物半導体層は、例えばｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含むＧａＮ層である。
ｐ側半導体層４０上にｐ側電極５１が設けられ、ｐ側電極５１はｐ側半導体層４０に電気的に接続される。
ｎ型コンタクト層１２は、中間層２０、超格子層２６、活性層３０、およびｐ側半導体層４０が設けられていないｎ側コンタクト面１２ａを有する。ｎ型コンタクト層１２のｎ側コンタクト面１２ａ上にｎ側電極５２が設けられ、ｎ側電極５２はｎ側半導体層１０に電気的に接続される。ｎ型コンタクト層１２は、例えば、ｎ型不純物を含むＧａＮ層である。ｎ型コンタクト層１２のｎ型不純物濃度は、例えば、３×１０１８／ｃｍ３以上３×１０２０／ｃｍ３以下である。
活性層３０からの光は、ｎ側半導体層１０を透過して、基板１００の下面や側面から主に取り出される。なお、基板１００は除去してもよい。基板１００を除去した場合、活性層３０からの光は、ｎ側半導体層１０の下面から主に取り出される。
本実施形態によれば、ｎ側半導体層１０に、活性層３０の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きなＡｌＧａＮ層を含む中間層２０を設けることで、ｎ側半導体層１０における光吸収を抑制して、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
中間層２０は、ｎ型不純物として例えばＳｉを含むｎ型の第１層２１を含む。これにより、ｐ側半導体層４０に含まれるｐ型不純物（例えばＭｇ）がｎ側半導体層１０側に拡散しても、ｎ側半導体層１０に含まれるｎ型半導体層（例えばｎ型コンタクト層１２）のｐ型化を低減することができる。
ＡｌＧａＮ層にドープされたＳｉはＡｌＧａＮ層に含まれるIII族元素と置換される。Ｓｉの原子半径は、窒化物半導体中におけるＧａの原子半径よりも窒化物半導体中におけるＡｌの原子半径に近いことから、ＳｉがＧａではなくＡｌと置換されたＡｌＧａＮ層の方が結晶欠陥が生じにくいと考えられる。そこで、本実施形態では、第２層２２よりもｎ型不純物濃度の高い第１層２１のＡｌ組成比を第２層２２のＡｌ組成比よりも高くし、ＳｉがＡｌＧａＮ層中のＡｌと置換されやすくすることで、中間層２０における結晶欠陥の発生を抑制することができる。その結果、中間層２０の結晶性を良好にすることができ、発光素子１の信頼性を向上させることができる。
窒化物半導体層においてＡｌ組成比が高くなると結晶欠陥が増える傾向にある。例えば、第１層２１の一般式は、Ａｌａ１Ｇａ１－ａ１Ｎ（０＜ａ１＜１）であり、第２層２２の一般式は、Ａｌａ２Ｇａ１－ａ２Ｎ（０＜ａ２＜１）である。結晶欠陥の発生を抑制しつつ、活性層３０からの光の吸収を抑制するために、第１層２１のＡｌ組成比ａ１及び第２層２２のＡｌ組成比ａ２は０．０１以下であることが好ましい。第１層２１及び第２層２２のＡｌ組成比ａを１以下とすることで、結晶欠陥の増加による信頼性の悪化を低減しつつ、光取り出し効率を向上させることができる。また、第１層２１のＡｌ組成比ａ１と、第２層２２のＡｌ組成比ａ２との差は、０．００１以上０．００２以下であることが好ましい。
また、中間層２０はアンドープの第２層２２を含み、その第２層２２の厚さを、ｎ型の第１層２１の厚さよりも厚くすることで、発光素子１のＥＳＤ（Electro Static Discharge）による破壊率を低くし発光素子１の信頼性を向上することができる。例えば、第２層２２の厚さは第１層２１の厚さの１０倍以上が好ましい。例えば、第１層２１の厚さは１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。例えば、第２層２２の厚さは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
複数の第１層２１のうち、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａのＡｌ組成比は、他の第１層２１のＡｌ組成比よりも高い。例えば、第１層２１ａの一般式は、Ａｌａ３Ｇａ１－ａ３Ｎ（０＜ａ３＜１）であり、第１層２１ａのＡｌ組成比ａ３は、他の第１層２１のＡｌ組成比ａ１よりも高い。これにより、中間層２０の中でもより多くの光が伝播する活性層３０に近い領域での光吸収の抑制効果を高め、光取り出し効率を向上させることができる。
複数の第１層２１のうち、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａのｎ型不純物濃度は、他の第１層２１のｎ型不純物濃度よりも高い。複数の第２層２２のうち、活性層３０に最も近い位置にある第２層２２ａのｎ型不純物濃度は、他の第２層２２のｎ型不純物濃度よりも高い。中間層２０におけるｐ側半導体層４０により近い領域のｎ型不純物濃度を相対的に高くすることで、ｎ型コンタクト層１２などのｐ型化を効果的に抑制することができる。また、上述した複数の第１層２１のうち、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａのＡｌ組成比を他の第１層２１のＡｌ組成比よりも高くする場合においては、第１層２１ａのｎ型不純物濃度をより高くすることで、ＡｌＧａＮ層中においてＳｉがＡｌとさらに置換されやすくなると推測される。そのため、中間層２０の結晶性をさらに良好にすることができ、発光素子１の信頼性をさらに向上させることができる。複数の第１層２１のうち、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａのｎ型不純物濃度は、例えば、３×１０１８／ｃｍ３以上３×１０１９／ｃｍ３以下である。
なお、中間層２０の最上層が高い濃度の不純物を含むと、中間層２０の最上層の平坦性が悪化しやすく、中間層２０の上に積層される活性層３０などの結晶性にも影響を与える。そこで、本実施形態によれば、中間層２０は、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａと、活性層３０との間に設けられた窒化物半導体層２５をさらに含む。窒化物半導体層２５は、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａよりもｎ型不純物濃度が低く、例えば、ＡｌとＧａとを含むｎ型ＡｌＧａＮ層である。これにより、中間層２０の最上層の平坦性の悪化を低減し、中間層２０の上に積層される活性層３０などの結晶性を良好にできる。または、窒化物半導体層２５は、アンドープのＡｌＧａＮ層であってもよい。
窒化物半導体層２５のＡｌ組成比は、活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａのＡｌ組成比と同程度である。
中間層２０の複数の第１層２１および第２層２２は、例えば、炉内に、ガリウムを含むガスと、アルミニウムを含むガスと、窒素を含むガスとを導入し、炉内を加熱した状態で形成される。例えば、ガリウムを含むガスはＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスであり、アルミニウムを含むガスはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスであり、窒素を含むガスはアンモニア（ＮＨ３）ガスである。第１層２１を形成するときは、さらにシリコンを含むガスが炉内に導入される。
例えば、炉内の温度を１１００℃から１０５０℃に降温しながら、複数の第１層２１及び複数の第２層２２をｎ型コンタクト層１２上に積層する。炉内温度が低い方がＡｌがＮと結合しやすく、複数の第１層２１の中で活性層３０に近い上層の第１層２１ほどＡｌ組成比が高くなる。
図２および図３は、発光素子の特性評価の結果を示すグラフである。
６つのサンプルＡ～Ｆについて特性評価を行った。サンプルＢ～Ｆは、図１に示す構造において、中間層２０の第１層２１はＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層であり、第２層２２はアンドープのＡｌＧａＮ層である。中間層２０は、第１層２１と第２層２２からなる積層部２３を４個含む。複数の第１層２１のうち活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａ以外の第１層２１の厚さは３．３ｎｍ程度、複数の第１層２１のうち活性層３０に最も近い位置にある第１層２１ａの厚さは３０ｎｍ程度である。第２層２２の厚さは７５ｎｍ程度である。また、窒化物半導体層２５は、厚さが５ｎｍ程度のＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層である。中間層２０の各層および窒化物半導体層２５を形成する際に導入するアルミニウムを含むガスの流量は同じである。
サンプルＡは、サンプルＢ～Ｆにおける中間層２０の第１層２１および第２層２２をＡｌＧａＮ層ではなくＧａＮ層で形成したものであり、その他の構造はサンプルＢ～Ｆと同じである。
サンプルＢ～Ｆは、それぞれ、中間層２０を形成するときの炉内の温度が異なる。サンプルＡの中間層を形成するときの温度を基準にしてサンプルＢ～Ｆの温度を変更している。サンプルＢは、サンプルＡよりも２０℃低い温度で中間層２０を成長させたものである。サンプルＣは、サンプルＡよりも１０℃低い温度で中間層２０を成長させたものである。サンプルＤは、サンプルＡと同じ温度で中間層２０を成長させたものである。サンプルＥは、サンプルＡよりも１０℃高い温度で中間層２０を成長させたものである。サンプルＦは、サンプルＡよりも２０℃高い温度で中間層２０を成長させたものである。
図２における左側の縦軸は、サンプルＡの出力Ｐｏを基準（０％）にした出力Ｐｏの増加率を表し、この特性は図２において棒グラフで表される。
図２における右側の縦軸は、サンプルＡの順方向電圧Ｖｆを基準（０）にした順方向電圧Ｖｆの変化量を表し、この特性は図２において折れ線グラフで表される。
図３における左側の縦軸は、サンプルＡの発光効率を基準（０％）にした発光効率の増加量を表し、この特性は図３において棒グラフで表される。
図３における右側の縦軸は、サンプルＡのＥＳＤ（Electro Static Discharge）破壊率を基準（０）にしたＥＳＤ破壊率の変化量を表し、この特性は図３において折れ線グラフで表される。
図２における右側の縦軸は、サンプルＡの順方向電圧Ｖｆを基準（０）にした順方向電圧Ｖｆの変化量を表し、この特性は図２において折れ線グラフで表される。
図３における左側の縦軸は、サンプルＡの発光効率を基準（０％）にした発光効率の増加量を表し、この特性は図３において棒グラフで表される。
図３における右側の縦軸は、サンプルＡのＥＳＤ（Electro Static Discharge）破壊率を基準（０）にしたＥＳＤ破壊率の変化量を表し、この特性は図３において折れ線グラフで表される。
図２の結果より、サンプルＡよりもサンプルＢ～Ｆの出力Ｐｏが増加している。これは、中間層２０に含まれる各層をＧａＮ層からＡｌＧａＮ層とすることにより光吸収が低減され光取り出し効率が向上したことによるものであると推測される。サンプルＢ、Ｃは、サンプルＡよりも順方向電圧Ｖｆが増大しており、サンプルＤ～Ｆは、順方向電圧ＶｆをサンプルＡと同等かそれ以下である。これは、中間層２０を形成する際の炉内の温度をサンプルＡよりも低くすることで、形成される各層の結晶性が低下したことが要因であると考えられる。一方、炉内の温度を高くすると形成される各層の結晶性が向上し順方向電圧Ｖｆを低減する効果が得られたと推測される。なお、中間層２０の各層をＧａＮ層とする場合、炉内の温度を高くしすぎるとＧａＮ層の表面の平坦性が悪化する傾向があり、サンプルＥ、Ｆのように炉内の温度を高くすることによる順方向電圧Ｖｆの低減効果は得られにくいと考えられる。サンプルＤ～Ｆは、順方向電圧ＶｆをサンプルＡと同等かそれ以下としつつ、出力ＰｏをサンプルＡよりも増加することができる。
図３の結果より、サンプルＡよりもサンプルＢ～Ｆの発光効率が増加している。特にサンプルＤ～Ｆの発光効率は、サンプルＡよりも０．３％以上増加している。サンプルＢ、Ｃは、サンプルＡよりもＥＳＤ破壊率が高くなっており、サンプルＤ～Ｆは、サンプルＡのＥＳＤ破壊率と同等かそれ以下である。これは、上述したとおり、炉内の温度を変更することで、中間層２０の各層の結晶性に影響が生じたことが要因であると考えられる。特にサンプルＥ、Ｆでは、炉内の温度をサンプルＡよりも高くすることで中間層２０の各層の結晶性を向上しＥＳＤ破壊率を低減することができている。サンプルＤ～Ｆは、ＥＳＤ破壊率をサンプルＡと同等かそれ以下としつつ、発光効率をサンプルＡよりも高くすることができる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものである。
１…発光素子、１２…ｎ型コンタクト層、１０…ｎ側半導体層、２０…中間層、２１…第１層、２２…第２層、２３…積層部、３０…活性層、４０…ｐ側半導体層、５１…ｐ側電極、５２…ｎ側電極、１００…基板
Claims (10)
- ｎ型コンタクト層と、前記ｎ型コンタクト層上に設けられた中間層とを含むｎ側半導体層と、
前記中間層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられたｐ側半導体層と、
を備え、
前記中間層は、第１層と第２層とからなる積層部を少なくとも１つ含み、
前記第１層は、ｎ型不純物とＡｌとＧａとを含むｎ型窒化物半導体層であり、
前記第２層は、ＡｌとＧａとを含み、前記第１層よりもｎ型不純物濃度が低く、前記第１層の厚さよりも厚い窒化物半導体層であり、
前記第１層のＡｌ組成比は、前記第２層のＡｌ組成比よりも高い発光素子。 - 前記中間層は、複数の前記積層部を含む請求項１に記載の発光素子。
- 複数の前記第１層のうち、前記活性層に最も近い位置にある前記第１層のＡｌ組成比は、他の前記第１層のＡｌ組成比よりも高い請求項２に記載の発光素子。
- 複数の前記第１層のうち、前記活性層に最も近い位置にある前記第１層のｎ型不純物濃度は、他の前記第１層のｎ型不純物濃度よりも高い請求項２または３に記載の発光素子。
- 前記中間層は、前記活性層に最も近い位置にある前記第１層と、前記活性層との間に設けられ、前記活性層に最も近い位置にある前記第１層よりもｎ型不純物濃度が低く、ＡｌとＧａとを含む窒化物半導体層をさらに含む請求項４に記載の発光素子。
- 複数の前記第２層のうち、前記活性層に最も近い位置にある前記第２層のｎ型不純物濃度は、他の前記第２層のｎ型不純物濃度よりも高い請求項２～５のいずれか１つに記載の発光素子。
- 前記ｎ型不純物はシリコンである請求項１～６のいずれか１つに記載の発光素子。
- 前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さの１０倍以上である請求項１～７のいずれか１つに記載の発光素子。
- 前記第２層の厚さは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１～８のいずれか１つに記載の発光素子。
- 前記第１層は、Ａｌａ１Ｇａ１－ａ１Ｎ（０＜ａ１＜１）からなり、
前記第２層は、Ａｌａ２Ｇａ１－ａ２Ｎ（０＜ａ２＜１）からなり、
前記第１層のＡｌ組成比ａ１及び前記第２層のＡｌ組成比ａ２は、０．０１以下である請求項１～９のいずれか１つに記載の発光素子。
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