JP3758562B2

JP3758562B2 - 窒化物半導体多色発光素子

Info

Publication number: JP3758562B2
Application number: JP2001361771A
Authority: JP
Inventors: 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2015-12-11
Also published as: JP2002185044A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるＬＥＤ等の発光素子に係り、特に異なるバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体が同一素子内に形成された多色発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体はバンドギャップエネルギーが１．９６ｅＶ〜６．１６ｅＶまであり、この材料一つでフルカラーディスプレイが実現できる可能性があるため、従来より発光素子の材料として研究されている。そして最近、高輝度な青色ＬＥＤと純緑色に発光する緑色ＬＥＤが個々に実用化された。またこの材料を用いた同一発光素子内での多色発光素子の作製も試みられている。
【０００３】
例えば特開平６−５３５４９号公報、特開平６−２９５７４号公報に窒化物半導体よりなる多色発光素子が示されている。これらの公報では、バンドギャップエネルギーの異なるｉ型のＩｎＧａＮを活性層とし、この活性層をｎ型層の上に積層した多色発光素子が示されている。しかしこの技術は高抵抗なｉ型層を活性層とするため、発光効率が悪く実用性に乏しいと言う問題がある。
【０００４】
また、特開平７−１８３５７６号公報では低抵抗なＩｎＧａＮを活性層とした単一ダブルへテロ構造を基板上に複数積層した多色発光素子が示されている。この技術はｐｎ接合を複数積層するため、同一素子内において発光素子がサイリスタになる可能性がある。また、前記技術と同様に電極を取り出すために多くのエッチング工程が必要となり製造工程上好ましくない。また活性層と基板との間に、バンドギャップエネルギーの異なる他の活性層が存在するので、単一色を発光させる場合に他の活性層が発光してしまう可能性がある。
【０００５】
ＬＥＤはチップの大きさが通常３００μｍ角以上あるので、精細な画像を得ることは不可能である。そのためＬＥＤディスプレイはスタジアム、劇場のような大画面を必要とする場所にしか使用できなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一個のチップで一画素が構成できれば精細な画像を実現することができる。また、細かい画素を多数含む一枚のウェーハで一画面を構成することも可能となる。従って本発明の目的とするところは、窒化物半導体を用いて多色発光できる素子とその製造方法を提供することにより、高精細なディスプレイを実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体多色発光素子は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体よりなる活性層を有する複数の単位発光素子が同一基板上に隔離して設けられてなる窒化物半導体多色発光素子であって、
前記単位発光素子はそれぞれ、前記基板上形成されたｎ型ＧａＮからなり前記複数の単位発光素子に共通のｎ型コンタクト層と、該ｎ型コンタクト層上に分離独立して形成された活性層と、該活性層に接して形成されたＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、該ｐ型クラッド層の上に形成されたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層とを含んでなり、かつ各単位発光素子は前記ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層との間に１つのｐ−ｎ接合を有し、第１のＩｎＧａＮからなる活性層を有する第１の発光素子の一部がエッチングにより露出された面に、第２のＩｎＧａＮからなる活性層を有する第２の発光素子が形成されてなり、該第２のＩｎＧａＮからなる活性層は該第１のＩｎＧａＮからなる活性層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする。
【０００８】
また前記ｎ型コンタクト層には前記各単位発光素子に共通の負電極が形成されたことを特徴とする。
【０００９】
また前記窒化物半導体多色発光素子は、３つのダブルヘテロ接合を有することを特徴とする。
【００１０】
また前記活性層は、井戸層はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）、障壁層はＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（Ｙ＜Ｘ、この場合Ｙ＝０を含む）で構成された多重量子井戸構造であることを特徴とする。
【００１１】
図１は本発明の一実施例に係る多色発光素子の構造を示す模式的な断面図である。この発光素子は互いに分離独立して形成された３つのダブルへテロ構造を有し、共通の基板１の上に、共通のｎ型コンタクト層２を有する。第一の構造はｎ型コンタクト層の上２に、第一の活性層３１、第一のｐ型クラッド層４１、第一のｐ型コンタクト層５１を有する。第二の構造は第一の構造と独立して、第二の活性層３２、第二のｐ型クラッド層４２、第三のｐ型コンタクト層５２を有する。さらに第三の構造は、第一の構造及び第二の構造と独立して、第三の活性層３３と第三のｐ型クラッド層４３、第三のｐ型コンタクト層５３とを有する。さらにｎ型コンタクト層２の表面には共通の負電極４０が設けられ、ｐ型コンタクト層５１、５２、５３の表面にはそれぞれ正電極１０、２０、３０とが設けられている。
【００１２】
基板１にはサファイア(Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む)、スピネル(ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、１１１面を含む)、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等窒化物半導体を成長させるために提案されている基板を使用できる。
【００１３】
ｎ型コンタクト層２はｎ型のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａＮとするとキャリア濃度が高い層が得られ、負電極材料と好ましいオーミック接触が得られる。なおｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ等を使用でき、これらのｎ型ドーパントを半導体成長時にドープすることにより好ましいｎ型とできる。なおこのコンタクト層２はクラッド層としても作用している。
【００１４】
第一の活性層３１、第二の活性層３２、第三の活性層３３はいずれもコンタクト層２、ｐ型クラッド層４１、４２、４３よりもバンドギャップエネルギーの小さいＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮとすると、紫〜赤色まで発光させることができる。さらにこの活性層に前記したｎ型ドーパント、および／またはＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のｐ型ドーパントをドープして発光波長を調整しても良い。特に好ましくはこの活性層を単一量子井戸(ＳＱＷ:Single-Quantum-Well)構造、若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi-Quantum-Well)構造を有するＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦X＜１）とすると高出力な素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦X＜１）で構成した層であり、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮの膜厚を１０ｎｍ以下、さらに好ましくは７ｎｍ以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。またＭＱＷは組成比の異なるＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（この場合X＝０、X＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより量子準位間発光で、約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７ｎｍ以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮで構成し、障壁層は同じくＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（Y＜X、この場合Y＝０を含む）で構成することが望ましい。障壁層の膜厚は１５ｎｍ以下、さらに好ましくは１２ｎｍ以下にすると高出力な発光素子が得られる。また、活性層３１、３２、３３とｎ型コンタクト層２との間に、活性層よりもバンドギャップの大きいｎ型の窒化物半導体よりなるクラッド層を一層、または複数層形成しても良い。
【００１５】
次に、第一のｐ型クラッド層４１、第二のｐ型クラッド層４２、第三のｐ型クラッド層４３はｐ型ドーパントがドープされて活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きいｐ型Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特に好ましくはＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮのように少なくともＡｌを含む窒化物半導体が活性層と接するようにすると高出力な素子が得られる。
【００１６】
次に第一のｐ型コンタクト層５１、第二のｐ型コンタクト層５２、第三のｐ型コンタクト層３も同じくｐ型ドーパントがドープされたｐ型Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にｐ型ＧａＮとすると高キャリア濃度のｐ型層が得られるので正電極の材料と好ましいオーミック接触が得られる。また本発明の発光素子において、ｐ型コンタクト層とｐ型クラッド層との間、またはｐ型クラッド層と活性層との間に他のｐ型窒化物半導体よりなるクラッド層を形成しても良い。
【００１７】
【作用】
図１に示すように、本発明の発光素子は、異なるバンドギャップエネルギーを有する活性層４１、４２、４３を含む単位発光素子がそれぞれ隔離して形成されている。このため、活性層４１とｎ型コンタクト層２との間には、他のバンドギャップエネルギーを有する活性層が存在しない。しかも第一のｐ型コンタクト層５１とｎ型コンタクト層２との間にはｐ−ｎ接合が一ヶ所しかないため、電流を流しても発光素子として作用するのみであってサイリスタにならない。従って、全ての電極に電流を流した状態でおいて、それぞれの活性層が独自のバンドギャップエネルギーに相当する発光を示すため、単一色でも混色することなく発光可能である。
【００１８】
さらに本発明の製造方法では、バンドギャップエネルギーの大きい活性層を先に成長させ、次にエネルギーの小さい活性層を成長させる。この理由はエネルギーの大きい活性層の方が分解しにくいことによる。例えば第一の活性層をＩｎ組成の小さいＩｎＧａＮ、第二の活性層をＩｎ組成の大きいＩｎＧａＮとすると、第二の活性層成長中に、先に成長させた第一の活性層が分解しにくい。このため、波長の揃った多色発光素子を実現できる。
【００１９】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の製造方法について詳説する。以下の実施例は有機金属気相成長法による窒化物半導体の成長方法を述べており、図２乃至図８は本発明の実施例の一工程において得られる発光素子の構造を示す模式的な断面図である。
【００２０】
［実施例１］
サファイア基板１の上に、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用いて、５００℃でＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。なおこのバッファ層は特に図示していない。バッファ層は他にＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等が成長されるが基板の種類によっては成長されない場合もある。
【００２１】
次に温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２を１０μｍの膜厚で成長させた。
【００２２】
次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、ノンドープのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第一の活性層３１を２０オングストロームの膜厚で成長させた。この第一の活性層３１は膜厚が非常に薄いため量子効果により単一量子井戸構造となっている。この活性層は本来の組成であれば４３５ｎｍに主発光波長を有しているが、量子効果と結晶の歪みにより、およそ４５０ｎｍに発光する。
【００２３】
次に再び温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第一のｐ型クラッド層４１を０．２μｍの膜厚で成長させた。
【００２４】
続いて、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる第一のｐ型コンタクト層５１を０．５μｍの膜厚で成長させた。以上まで窒化物半導体を積層したウェーハの断面図が図２である。
【００２５】
ウェーハを反応装置から取り出し、最上層の第一のｐ型コンタクト層５１の一部にフォトリソグラフィー技術を用いて保護膜を形成し、第一のｐ型コンタクト層５１、第一のｐ型クラッド層４１、第一の活性層３１、およびｎ型コンタクト層２の一部をエッチングにより除去し、ｎ型コンタクト層２の第一のエッチング面を露出させた。
【００２６】
次に、図３に示すように活性層を含む発光素子の表面にＳｉＯ_２よりなる第一のマスク７０を形成した。第一のマスク７０形成後のウェーハの部分的な構造を示す図が図３である。このマスクの表面には窒化物半導体は成長しない。
【００２７】
第一のマスクが形成されたウェーハを再び反応容器に設置し、第一のエッチング面の表面に、Ｉｎ0.45Ｇａ0.55Ｎよりなる第二の活性層３２を２０オングストロームと、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第二のｐ型クラッド層４２を０．２μｍと、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる第二のｐ型コンタクト層５２を０．５μｍの膜厚で成長させた。この第二の活性層３２はおよそ５２０ｎｍ付近の緑色発光を示す。成長後のウェーハの部分的な構造を示す図が図４である。
【００２８】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、第一のマスク７０をフッ酸で除去した後、先ほどと同様にして、第一の活性層３１と第二のｐ型コンタクト層５２の表面の一部に保護膜を形成した。さらに同様にして保護膜の上からエッチングを行いｎ型コンタクト層２の第二のエッチング面を露出させた。
【００２９】
次に、図５に示すように、第一の活性層３１を含む発光素子の表面と、第二の活性層３２を含む発光素子の表面とにまたがって、ＳｉＯ_２よりなる第二のマスク８０を形成した。
【００３０】
さらに、図５に示すウェーハを再度反応容器に設置し、第二のエッチング面の表面に、Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ｎよりなる第三の活性層３３を２０オングストロームと、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第三のｐ型クラッド層４３を０．２μｍと、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる第三のｐ型コンタクト層５３を０．５μｍの膜厚で成長させた。この第三の活性層３２はおよそ６２０ｎｍ付近の赤色発光を示す。成長後のウェーハの部分的な構造を示す図が図６である。
【００３１】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、第二のマスク８０を除去した後、同様にして、第三のｐ型コンタクト層５３の表面の一部に保護膜を形成してエッチングを行い、負電極４０を形成すべきｎ型コンタクト層２の表面を露出させた。その後、保護膜を除去して、常法に従い第一のｐ型コンタクト層５１と、第二のｐ型コンタクト層５２と、第三のｐ型コンタクト層５３の表面に、それぞれ正電極１０、２０、３０を形成した。また露出させたｎ型コンタクト層２の表面にも同様にして負電極４０を形成した。電極形成後、それそれの活性層を有する発光素子が単位基板の上に一個づつ載るようにして、ウェーハをチップ状に切断して本発明の多色発光素子を得た。
【００３２】
この多色発光素子の負電極４０を共通として、正電極１０、２０、３０に所定の電流を流ししたところ、単一発光色は色純度良く再現でき、しかも混色も非常に良好な白色発光を示した。なお図９は本発明の一実施例に係る多色発光素子を電極側から見た具体的な平面図であり、図１０は図９の発光素子の形状を示す斜視図である。なお図９及び図１０は、図１乃至図８に示す断面図とは必ずしも対応しておらず、強いて対応させるならば図９に示す「コ」の字状の一点鎖線で切断して、一点鎖線を伸ばした状態が模式的な断面図に相当する。
【００３３】
［実施例２］
図１１は本発明の他の実施例による多色発光素子の構造を示す模式的な断面図である。この多色発光素子が実施例１の発光素子と異なる点は、エッチングを行わず選択成長によって、異なるバンドギャップエネルギーを有する活性層を含む発光素子を成長させている。つまり基板上に第一の活性層を有する窒化物半導体層を形成した後、第一の活性層とは別に、第一の活性層とバンドギャップエネルギーが異なる第二の活性層を有する窒化物半導体層を部分的に成長させている。
【００３４】
まず、図１２に示すようにサファイア基板の上にＧａＮよりなるバッファ層を介して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２を成長させ、その上にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第一の活性層３１を成長させた後、ウェーハを反応容器から取り出す。
【００３５】
第一の活性層３１の上に、ＳｉＯ_２よりなる第四のマスク９０を部分的に形成する。つまり、第一の活性層３１を成長させる部分を除いてマスクを形成する。そしてマスクが形成されたウェーハを再度反応容器に戻し、ｎ型コンタクト層２の上に第一の活性層３１、第一のｐ型クラッド層４１、第一のｐ型コンタクト層５１を成長させる。成長後のウェーハの部分的な断面図が図１２である。
【００３６】
成長後マスクを除去して、再び第一の活性層３１、第一のｐ型クラッド層４１、第一のｐ型コンタクト層５１を含む発光素子全面と、ｎ型コンタクト層２の表面の一部に第五のマスクを形成して、同様にして第二の活性層３２、第二のｐ型クラッド層４２、第二のｐ型コンタクト層５２を成長させる。この工程以後の断面図は図１２と類似しているので特に図示しない。
【００３７】
第二のｐ型コンタクト層を成長させた後、マスクを除去して同様にして、第三の活性層３３、第二のｐ型クラッド層４３、第三のｐ型コンタクト層５３を成長させる。後は常法に従い、各コンタクト層に電極を設けることにより図１１に示す構造の多色発光素子を得ることができる。
【００３８】
なお、実施例１、２はｎ型コンタクト層の上に数々の保護膜を形成して後、バンドギャップの異なる活性層を成長させる方法について述べたが、本発明の方法では、ｎ型コンタクト層２と、第一の活性層３１、第二の活性層３２、及び第三の活性層３３とをアイランド状に成長させ、それらの活性層の表面を除く部分に新たな保護膜を形成した後、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を一度に形成しても良い。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の多色発光素子は同一基板上に互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体よりなる活性層を有する単位発光素子が、隔離して形成されていることにより、単一発光色が混色せずに発光できる。しかも活性層を従来のように高抵抗なｉ型とせず、低抵抗なＩｎＧａＮとして、ダブルへテロ構造とすると低電圧で駆動でき、素子の効率が非常に優れている。このようにして一チップに複数の窒化物半導体の発光素子を作製することにより、一画素が小さくできるため高精細度なディスプレイを実現する上で、本発明は非常に有利である。また一枚のウェーハ上に多数の電極を有する素子ができるため、チップ状にウェーハを分離せず、そのままウェーハの電極を接続してディスプレイとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る多色発光素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図３】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図６】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図７】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図８】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【図９】本発明一実施例に係る素子を電極側から見た平面図。
【図１０】図９の素子の形状を示す斜視図
【図１１】本発明の他の実施例に係る素子の構造を示す模式断面図。
【図１２】本発明の方法の一工程において得られる素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・ｎ型コンタクト層
３１、３２、３３・・・活性層
４１、４２、４３・・・ｐ型クラッド層
５１、５２、５３・・・ｐ型コンタクト層
１０、２０、３０・・・正電極
４０・・・負電極

Claims

互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体よりなる活性層を有する複数の単位発光素子が同一基板上に隔離して設けられてなる窒化物半導体多色発光素子であって、
前記単位発光素子はそれぞれ、前記基板上形成されたｎ型ＧａＮからなり前記複数の単位発光素子に共通のｎ型コンタクト層と、該ｎ型コンタクト層上に分離独立して形成された活性層と、該活性層に接して形成されたＡｌを含む窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、該ｐ型クラッド層の上に形成されたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層とを含んでなり、かつ各単位発光素子は前記ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層との間に１つのｐ−ｎ接合を有し、
第１のＩｎＧａＮからなる活性層を有する第１の発光素子の一部がエッチングにより露出された面に、第２のＩｎＧａＮからなる活性層を有する第２の発光素子が形成されてなり、
該第２のＩｎＧａＮからなる活性層は該第１のＩｎＧａＮからなる活性層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする窒化物半導体多色発光素子。
前記ｎ型コンタクト層には前記各単位発光素子に共通の負電極が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体多色発光素子。
前記窒化物半導体多色発光素子は、３つのダブルヘテロ接合を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の窒化物半導体多色発光素子。
前記活性層は、井戸層はＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）、障壁層はＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（Ｙ＜Ｘ、この場合Ｙ＝０を含む）で構成された多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体多色発光素子。