JP4119501B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、n側電極とn形層とのオーミックコンタクトを良好にして順方向電圧を下げ得る半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば青色系の半導体発光素子は、図4にその発光素子チップ(以下、LEDチップという)の一例の概略図が示されるように、サファイアからなる絶縁性の基板21上に、たとえばn形のGaNがエピタキシャル成長されたn形層(クラッド層)23と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばInGaN系(InとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体からなる活性層24と、p形のGaNからなるp形層(クラッド層)25とが積層されている。そして、その表面に図示しない拡散メタル層などを介してp形層25に電気的に接続するようにp側電極28が設けられている。そして、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するn形層23と電気的に接続するようにn側電極29が設けられることにより、LEDチップが形成されている。
【0003】
この種の半導体発光素子は、活性層24を挟持するn形層23およびp形層25は、活性層24へのキャリアの閉込め効果などの点から、そのキャリア濃度が最適になるように設定されており、たとえばn形層23のキャリア濃度は1018cm-3オーダの一定のキャリア濃度でn形層23が形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子では、そのn形層のキャリア濃度は発光特性に最適なキャリア濃度に設定されて、n形層の下から上まで一様なキャリア濃度に形成されている。そしてエッチングにより露出するn形層の一部に接続するようにn側電極が設けられている。しかし、n側電極が設けられるn形層のキャリア濃度は、電極とのオーミックコンタクトを得るためには大きいほど好ましく、1×1019cm-3程度以上が好ましい。そのため、前述のように発光特性から制限されたキャリア濃度の半導体層に電極を形成すると、充分なオーミックコンタクトを得ることができず、順方向電圧の上昇の一因になっている。
【0005】
従来のたとえばAlGaInP系化合物半導体などからなる半導体発光素子においては、半導体基板上に発光層を形成すべく半導体積層部が設けられるため、n形層がキャリア濃度の大きい半導体基板と接続されて半導体基板に電極が設けられるため、発光特性に最適なキャリア濃度に合わせてn形層が形成されても何等の問題がないが、チッ化ガリウム系化合物半導体はサファイア基板上に積層されるため、そのn形層に直接電極が設けられ、前述のようにオーミック接触が充分に得られないという問題がある。しかも、良好なオーミックコンタクトを得にくい中で少しでもオーミックコンタクトを良好にするため、電極材料も限定されて、その選択余地が少ないという問題もある。
【0006】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、絶縁基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体発光素子においても、発光層に接する部分では発光特性に最適なキャリア濃度を維持しながら、n形層とn側電極とのオーミックコンタクト特性を向上させて順方向電圧を低下させ、発光効率を向上させると共に、電極材料の選択余地を拡大することができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に発光層を形成すべくn形層およびp形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部のn形層およびp形層にそれぞれ電気的に接続して設けられるn側電極およびp側電極とを有し、前記基板は、前記半導体積層部表面側の全面に設けられる前記p側電極表面に貼り付けられたAl板からなり、前記半導体積層部はサファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して形成された後に前記サファイア基板が除去されたものであり、前記n形層は、前記サファイア基板を全面的に除去して露出する部分のキャリア濃度が1×10 19 〜5×10 19 cm -3 で、前記発光層に接する部分のキャリア濃度1×10 18 〜3×10 18 cm -3 より大きくなるように形成され、該露出するキャリア濃度の大きいn形層の一部に前記n側電極が設けられている。この構造にすることにより、発光特性に影響を及ぼすことなくn形層とn側電極とのオーミックコンタクトを良好にとることができ、順方向電圧を下げることができる。
【0008】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のGaとV族元素のNとの化合物またはIII 族元素のGaの一部がAl、Inなどの他のIII 族元素と置換したものおよび/またはV族元素のNの一部がP、Asなどの他のV族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、発光層とは活性層をn形層とp形層とで挟持するダブルへテロ接合構造にあっては活性層を、pn接合構造ではpn接合近傍の発光部を意味する。
【0010】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【0011】
本発明の半導体発光素子は、たとえば図1に示されるように、サファイア(Al2 O3 単結晶)などからなる絶縁性の基板1の表面に発光層を形成する半導体積層部10が形成されて、その表面側のp形層5に、図示しない拡散メタル層を介してp側電極8が電気的に接続されている。また、半導体積層部10の一部が除去されて露出するn形層3に電気的に接続されるようにn側電極9が形成されている。本発明では、たとえば図1に示されるように、n形層3が、発光特性に適したキャリア濃度で活性層4に接するn形第1層3aと、オーミックコンタクトに適するキャリア濃度の大きいn+ 形第2層3bと、キャリア濃度が任意のn形第3層3cとからなっており、活性層4(発光層)に接するn形第1層3aのキャリア濃度よりキャリア濃度が大きいn+ 形第2層3bにn側電極9が設けられていることに特徴がある。
【0012】
このようなn形層3を形成するには、n形層3をエピタキシャル成長する際に、導入するドーパントの量を調整することにより得られる。すなわち、たとえばMOCVD法により半導体層を積層する場合、所望の半導体層にするための反応ガスと共に導入するドーパントガスのたとえばSiH4 の流量を多くすればキャリア濃度を大きくすることができ、SiH4 の流量を少なくすることによりキャリア濃度を小さくすることができる。そのため、バッファ層2上にたとえばキャリア濃度が1×1017cm-3程度になるようにn形第3層3cを1〜2μm程度エピタキシャル成長した後に、ドーパントガスSiH4 の流量を多くしてさらに成長を続け、キャリア濃度が1×1019〜5×1019cm-3程度のn+ 形第2層3bを2〜3μm程度成長し、さらにドーパントガスSiH4 の流量を減らして成長を続け、キャリア濃度が1×1018〜3×1018cm-3程度のn形第1層3aを1〜2μm程度成長することにより得られる。
【0013】
なお、n形第1層3aの厚さは、キャリアの閉込め作用をする程度に設けられればよく、少なくとも0.5μm程度あればよい。また、n+ 形第2層3bは、エッチングにより露出させた表面にオーミックコンタクトが得られるように電極を設ける必要があるため、2μm程度以上設けられることが好ましい。n形第3層3cのキャリア濃度は大きくても小さくてもよく、ドーパントがドープされていなくてもよい。したがって、このn形第3層はなくてn形第1層3aと、n+ 形第2層3bとからのみなっていても、n形第1層3aが活性層4に接しており、n+ 形第2層3bにn側電極9が設けられる構造になっておればよい。
【0014】
半導体積層部10は、たとえばGaNからなる低温バッファ層2が0.01〜0.2μm程度、クラッド層となるn形のGaNおよび/またはAlGaN系(AlとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体からなり、少なくともn形第1層3aおよびn+ 形第2層3bを有する前述の構造のn形層3、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばInGaN系化合物半導体からなる活性層4が0.05〜0.3μm程度、およびp形のAlGaN系化合物半導体層および/またはGaN層からなるp形層(クラッド層)5が0.2〜1μm程度、基板1上にそれぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、AlGaN系化合物半導体は、キャリアの閉込め効果を向上させるため、n形およびp形のクラッド層の活性層4側に設けられる場合がある。したがって、n形第1層3aをAlGaN系化合物半導体層で、n+ 形第2層をGaN層で形成することもできる。
【0015】
半導体積層部10のp形層5に図示しない拡散メタル層を介して電気的に接続されるように、たとえばTiとAuの積層構造からなるp側電極8が設けられ、半導体積層部10の一部がエッチングにより除去されて露出するn+ 形第2層3bに、たとえばTiとAlの合金層からなるn側電極9が設けられ、ウェハからチップ化されて本発明のLEDチップが形成されている。
【0016】
この半導体発光素子を製造するには、たとえば有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、キャリアガスのH2 と共にトリメチリガリウム(TMG)、アンモニア(以下、NH3 という)などの反応ガスおよびn形のドーパントガスとしてのSiH4 などを供給して、まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板1上に、たとえば400〜600℃程度の低温で、GaN層からなる低温バッファ層2を0.01〜0.2μm程度、ドーパントガスSiH4 の流量を全体のガス量に対して0〜1×10-4vol%程度にして同じ組成でキャリア濃度が1×1017cm-3程度のn形第3層3cを2μm程度成長し、ついでSiH4 の流量を1×10-2vol%程度にしてキャリア濃度が1×1019cm-3程度のn+ 形第2層3bを3μm程度、さらにSiH4 の流量を1×10-3vol%程度にしてキャリア濃度が1×1018cm-3程度のn形第1層3aを2μm程度それぞれ成長する。さらに反応ガスとしてトリメチルインジウム(TMIn)を追加し、InGaN系化合物半導体からなる活性層4を0.05〜0.3μm程度成膜する。
【0017】
ついで、反応ガスのTMInをトリメチルアルミニウム(TMA)に変更し、ドーパントガスとしてたとえばジメチル亜鉛(DMZnを導入して、キャリア濃度が1×1017〜1×1018cm-3程度のp形のAlGaN系化合物半導体層およびTMAを止めてp形のGaN層をそれぞれ0.1〜0.5μm程度づつ積層し、p形層5を形成する。
【0018】
その後、たとえばNiおよびAuを蒸着してシンターすることにより拡散メタル層を2〜100nm程度形成する。ついで、n側電極9を形成するためn+ 形第2層3bが露出するように、積層された半導体積層部10の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをする。そして、真空蒸着などにより金属膜を設け、シンターすることによりp側電極8およびn側電極9を形成し、チップ化する。その結果、図1に示される半導体発光素子が得られる。
【0019】
本発明の半導体発光素子によれば、発光層(図1の例では活性層4)側のn形層はそのキャリア閉込めに最適なキャリア濃度のn形第1層で形成されながら、n側電極が設けられる部分はキャリア濃度が大きいn+ 形第2層により形成されているため、優れた発光特性を有しながら良好なオーミックコンタクトで電極を設けることができる。なお、p側電極は拡散メタル層を介して設けられるため、オーミックコンタクトのためのp形層のキャリア濃度は余り問題にならない。その結果、接触抵抗が下がり、順方向電圧Vf の低い半導体発光素子が得られ、発光効率が向上すると共に、電源電圧を低くすることができる。
【0020】
前述の例では、n側電極9としてTiとAlとの合金層を用いたが、n側電極9が設けられるn形層3の部分のキャリア濃度が大きく、オーミックコンタクト特性が向上するため、他のTi-Au、Ni-Au、Ti-Pt、Au、Ptなどを用いることもできる。
【0021】
図2は図1の変形例を示す半導体発光素子のチップの断面形状を示す図である。すなわち、この例はn側電極9を半導体積層部10の一部をエッチング除去してn形層3を露出させるのではなく、基板1の一部をエッチングにより除去してn+ 形第2層3bを露出させ、基板1側にn側電極9が設けられている。この場合、n形第3層はない方が好ましいが、キャリア濃度が小さいn形第3層が設けられている場合は、基板1のエッチングの際にn形第3層までエッチングをしてn+ 形第2層3bが露出するようにコンタクト孔1aを設ければよい。なお、図1と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【0022】
図3はさらに他の変形例を示す図で、この例はp側電極8側にAlなどからなる金属板11が設けられて新たな基板とされると共に、半導体層を積層する際のサファイア基板は研磨などにより除去され、その除去により露出したn+ 形第2層3bにn側電極9が設けられているものである。このような構造の半導体発光素子においても、n形層3が活性層4側にキャリア濃度が発光特性に合わせて形成されたn形第1層3aと、n側電極9が設けられる側にキャリア濃度が大きいn+ 形第2層3bが設けられることにより、前述と同様の効果が得られる。なお、図1と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【0023】
以上の各例では、n形層3とp形層5とで活性層4が挟持され、活性層4を発光層としたダブルヘテロ接合構造であるが、n形層とp形層とが直接接合するpn接合構造の半導体発光素子でも同様である。この場合、pn接合部に発光層が形成され、pn接合部分側に発光特性に合わせたキャリア濃度のn形第1層で形成され、電極が形成される部分がn+ 形第2層になるようにn形層が形成される。また、前述の各例において積層される半導体層の材料も一例であって、その材料には限定されない。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、発光特性を維持しながら電極と半導体層とのオーミックコンタクト特性が向上し、動作電圧が低く発光効率の優れた半導体発光素子が得られる。さらに、良好なオーミックコンタクトが得られやすいため、n側の電極金属材料の制限が緩和され、電極金属の選択範囲が広がるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体発光素子の一実施形態のLEDチップの断面説明図である。
【図2】図1の半導体発光素子の変形例を示すLEDチップの断面説明図である。
【図3】図1の半導体発光素子の他の変形例を示すLEDチップの断面説明図である。
【図4】従来の半導体発光素子のLEDチップの一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
1 基板
3 n形層
3a n形第1層
3b n+ 形第2層
4 活性層
5 p形層
8 p側電極
9 n側電極
10 半導体積層部
Claims (1)
- 基板と、該基板上に発光層を形成すべくn形層およびp形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部のn形層およびp形層にそれぞれ電気的に接続して設けられるn側電極およびp側電極とを有し、前記基板は、前記半導体積層部表面側の全面に設けられる前記p側電極表面に貼り付けられたAl板からなり、前記半導体積層部はサファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して形成された後に前記サファイア基板が除去されたものであり、前記n形層は、前記サファイア基板を全面的に除去して露出する部分のキャリア濃度が1×10 19 〜5×10 19 cm -3 で、前記発光層に接する部分のキャリア濃度1×10 18 〜3×10 18 cm -3 より大きくなるように形成され、該露出するキャリア濃度の大きいn形層の一部に前記n側電極が設けられてなる半導体発光素子。
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