JP4135550B2

JP4135550B2 - 半導体発光デバイス

Info

Publication number: JP4135550B2
Application number: JP2003114774A
Authority: JP
Inventors: 嘉克森島; 序章藤倉
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: JP2004319912A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外、青色レーザダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の窒化化合物半導体発光デバイスに関し、特に、発光効率を高めた窒化化合物半導体発光デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム等の窒化化合物半導体は、紫外、青色レーザダイオードや発光ダイオード等の光素子用材料として脚光を浴びている。従来、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムおよびそれらの混晶である化合物半導体層をｐ型にする場合、ドーパントとして炭素、マグネシウムまたは亜鉛等を単独にドープすることによりｐ型化を行っている。ＧａＮ系材料のアクセプタ準位を形成するマグネシウム、亜鉛または炭素等のドーパントでは、アクセプタの活性化エネルギーが高いために５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高キャリア濃度にすることは困難である。このため、ｐ型ＧａＮ層と電極金属とのコンタクト抵抗は非常に高くなり、光デバイスなどの駆動電圧の上昇や抵抗熱による熱損傷などを引き起こしている。
【０００３】
この高いコンタクト抵抗を低減させる技術として、ｐ型コンタクト層の上に高キャリア濃度のｎ型ＧａＮ系コンタクト層を成長させ、ｐ型コンタクト層とｎ型コンタクト層との間でトンネル接合をさせる技術が開発され、これにより電極からｐ型コンタクト層へ電流が流れるときの電圧降下は抑制され、また、電極とｐ型半導体間で生じる抵抗熱もかなり低いものとなってきている（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
【非特許文献１】
ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳＶＯＬＵＭＥ７８，ＮＵＭＢＥＲ２１（２１ＭＡＹ２００１），ｐａｇｅ３２６５−３２６７
【０００５】
図５は、従来提案されている発光ダイオードの構造を示すものであり、ｎ型伝導を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層５１と、このｎ型クラッド層５１の上に形成されたＡｌＧａＮ活性層５２と、この活性層５２の上に形成されたｐ型伝導を有するｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層５３と、このｐ型クラッド層５３の上に形成されてオーム性接触を提供するのに用いられるｐ型伝導を有するｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層５４と、このｐ型コンタクト層５４の上に形成され、ｎ型伝導を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層５５と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層５１の上に形成された電極５６と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層５５の上に形成された電極５７とからなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ただ単純に高キャリア濃度ｎ型コンタクト層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層５５）をｐ型コンタクト層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層５４）の上に位置させた構造では、電流密度が電極５７の真下に集中し、発光効率を高めることができず、発光強度も１ｍＷ程度止まりである。
【０００７】
そこで、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層の電流を拡散しやすくさせるため電流ブロッキング層を電極の下に位置させる構造とするために、ｐ型コンタクト層を電極の下に突出させた形状となるよう、ｐ型コンタクト層を気相エッチングなどで形成し、その後に高キャリア濃度ｎ型コンタクト層を再成長させるような構造が提案された。図６は、この構造を示すものであり、６１はｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層、６２はＡｌＧａＮ活性層、６３はｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層、６４はｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層、６５はｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層、６６、６７は電極である。
【０００８】
しかし、この構造では、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層６５）と接触するｐ型コンタクト層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＮコンタクト層６４）の表面がエッチングダメージを受け、窒素抜けを誘発して低キャリア濃度化を招き、それらの間でトンネル接合をさせることができないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題を解決し、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層との間でのトンネル接合を可能とし、しかも高キャリアｎ型層内への電流拡散を促進させることにより、優れた発光効率を発揮する半導体発光デバイスを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ｎ型クラッド層の上に順次、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層およびｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層が形成されてなり、エッチング加工により前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層から前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層にかけて凹部が形成され、該凹部内に前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層と前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の双方に接触する電極が形成され、該電極の直下に前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の表面に生じた窒素空孔による高抵抗化部分の電流ブロック層が形成されている半導体発光デバイスを提供する。この場合、前記凹部は、前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層を貫通し、前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の表面を底部とするように形成されていても良く、また、前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層を貫通し、前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の表面よりも食い込んだ面を底部とするように形成されていても良い。
【００１１】
本発明においては、凹部の形成に際して、電極直下の領域にあるｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層を気相エッチングまたは液相エッチングで除去し、ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層表面が露出するまでエッチングを行うので、ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層がエッチングダメージを受けて窒素抜けを誘発し、窒素空孔はドナーとして寄与するのでキャリア濃度を低下させ、高抵抗化する。本発明では、この高抵抗化部分を電極直下に形成して電流ブロック層として利用することにより、高キャリアｎ型層（ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層）内への電流拡散が促進され、発光効率を向上できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の発光デバイスの一実施の形態を示すもので、発光ダイオードへの適用例である。ｎ型伝導を有するｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（0≦ｘ≦1、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）クラッド層１の上に、Ａｌ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）活性層２、ｐ型伝導を有するｐ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）クラッド層３、オーム性接触を提供するｐ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）コンタクト層４およびｎ型伝導を有するｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）コンタクト層５が形成されている。なお、活性層２としては、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であっても良い。ｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層５からｐ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層４の表面にかけて凹部８が形成され、この凹部８内に電極７が形成されている。凹部８は、ｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層５を気相エッチングまたは液相エッチングでｐ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層４の表面が露出するまで除去することにより形成される。したがって、ｐ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層４の表面が凹部８の底面となる。なお、６は、ｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮクラッド層１に形成された電極である。
【００１３】
図２は、本発明の発光デバイスの他の実施の形態を示すもので、発光ダイオードへの適用例である。図１に示した実施の形態と異なる点は、凹部２８が、ｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層５を貫通し、かつｐ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮコンタクト層４の表面よりも食い込んだ面を底部とするように形成され、この凹部２８内に電極２７が形成されている点である。
【００１４】
図３は、本発明の発光デバイスの更に他の実施の形態を示すもので、発光ダイオードへの適用例である。この実施の形態は、ＳｉＣ基板９の上にｎ型Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮクラッド層１を形成したもので、ＳｉＣ基板９の下に電極３６が形成されている。
【００１５】
（従来例１）
ＭＯＶＰＥ装置にてサファイヤ基板上（Ｃ面）にエピタキシャル成長でＬＥＤ構造を作製した。各原料は、Ｇａ原料としてＴＭＣ（トリメチルガリウム）、Ｎ原料としてＮＨ₃（アンモニア）、Ｉｎ原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｐ型ドーパント原料としてＣｐ₂Ｍｇ（ビシクロペンタジエニルマグネシウム）、ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ₄（モノシラン）、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層用のｎ型ドーパントとしてＴＥＳｉ（テトラエチルシラン）を使用した。
【００１６】
サファイヤ基板を有機洗浄したのち、成長圧力１３５Ｔｏｒｒでバッファ層を成長させ、その上に１０８０℃でｎ型ＧａＮクラッド層を成長させた。膜厚は、１μｍ、Ｓｉ濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。その後、成長温度を７６０℃まで落とし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸活性層を形成した。このときの膜厚はＩｎＧａＮ／ＧａＮで２．２ｎｍ／８ｎｍ、ペア数は４ペアである。その後、１１２０℃まで成長温度を上昇させｐ型クラッド層を成長させた。このときの膜厚は０．５μｍでＭｇ濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3である。その上にｐ型コンタクト層を成長させた。膜厚は０．２μｍでＭｇ濃度は３．５×１０¹⁹ｃｍ^-3である。そして成長温度を１１００℃に低下させ、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層を成長させた。膜厚は０．５μｍでＳｉ濃度は３×１０¹⁹ｃｍ^-3である。なお、各層におけるドーパント濃度は２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定した。
【００１７】
このようにして作製したエピウェハの表面にフォトリソグラフィーでレジストをパターニングし、ＲＩＥでエッチング（ＢＣｌ₃ガス使用）することによりｎ型ＧａＮクラッド層を露出させた。ｎ型ＧａＮクラッド層、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層にそれぞれ対応するように電極を蒸着により形成した。そのときの電極材料は、Ｔｉ／Ａｌで膜厚は３００Å／１５００Åで電極の形状は１００μｍ×１００μｍの正方形である。その後に、電極をＮ₂雰囲気下で３９０℃で合金化させた。ダイサーでフルカットし、ダイボンディング、ワイヤーボンディングを施してＬＥＤを作製した。この構造の発光ダイオードの光出力を積分球で測定したところ、２０ｍＡ通電時で１ｍＷという値であった。
【００１８】
（実施例１）
従来例１と同様の構造をした発光ダイオードエピタキシャルウェハーを作製し、ＲＩＥでｎ型ＧａＮクラッド層を露出させた後、再度フォトレジストを行い、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層上の電極直下の部分をエッチング除去した。エッチングした形状は、９０μｍ×９０μｍの正方形状で、ｐ型層も０．０５μｍだけエッチングした。その後、ｎ型ＧａＮクラッド層と、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層上のエッチングした部分に対応した電極を蒸着した。この大きさの電極を蒸着することにより、電極は、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層の両方に接触できる。
【００１９】
このようにして作製したＬＥＤの光出力を積分球を用いて測定すると、２０ｍＡ通電時で２ｍＷと従来例の２倍の値であった。このときの発光特性を図４に示す。電流分散が良好に起きていて、電極の下には殆ど電流が流れていないことが分かる。このように光出力が２倍になる成因としては、次の２つが考えられる。一つは、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層をエッチングする際にｐ型コンタクト層の表面までエッチングしたことにより、ｐ型層の表面はエッチングダメージを受け、窒素空孔が生じて正孔が補償され、その結果高抵抗化することが挙げられる。また、Ｔｉ／Ａｌは、代表的なｎ型ＧａＮへの電極であり、ｐ型ＧａＮへはショットキー性接合する。それらが相俟って良好な電流ブロック層となったものと推察される。
【００２０】
（従来例２）
ＭＯＶＰＥ装置にてＳｉＣ基板（０００１面）にエピタキシャル成長でＬＥＤ構造を作製した。各原料は、Ｇａ原料としてＴＭＣ（トリメチルガリウム）、Ｎ原料としてＮＨ₃（アンモニア）、ｐ型ドーパント原料としてＣｐ₂Ｍｇ（ビシクロペンタジエニルマグネシウム）、ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ₄（モノシラン）、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層用のｎ型ドーパントとしてＴＥＳｉ（テトラエチルシラン）を使用した。
【００２１】
まず、ＳｉＣ基板をＨＣｌと過酸化水素でバブリングして、ＨＦ水溶液で処理した。その後、成長圧力１３５Ｔｏｒｒ、温度１１４０℃でｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層を成長させた。膜厚は、０．４μｍ、Ｓｉ濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。その後、成長温度を１１２０℃にして、ＧａＮ／Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎの多重量子井戸活性層を形成した。このときの膜厚はＧａＮ／Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎで２．３ｎｍ／８ｎｍ、ペア数は４ペアである。その後、１１６０℃まで成長温度を上昇させｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層を成長させた。このときの膜厚は０．１μｍでＭｇ濃度は４×１０¹⁹ｃｍ^-3である。その上にｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎコンタクト層を成長させた。膜厚は０．１μｍでＭｇ濃度は８×１０¹⁹ｃｍ^-3である。そして成長温度を１１４０℃に低下させ、高キャリア濃度ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎコンタクト層を成長させた。膜厚は０．５μｍでＳｉ濃度は３×１０¹⁹ｃｍ^-3である。なお、各層におけるドーパント濃度は２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定した。
【００２２】
このようにして作製したエピウェハを以下のようにしてデバイス化した。まず裏面のＳｉＣ基板にＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）電極を蒸着により形成した。次に表面にフォトリソグラフィーで電極パターンを作製し、Ｎｉ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１５０ｎｍ）電極を蒸着により形成した。そのときの電極の形状は、直径１００μｍの円形である。その後に、電極をＮ₂雰囲気下で３９０℃で合金化させた。ダイサーでフルカットし、ダイボンディング、ワイヤーボンディングを施してＬＥＤを作製した。この構造の発光ダイオードの光出力を積分球で測定したところ、２０ｍＡ通電時で０．３ｍＷという値であった。
【００２３】
（実施例２）
従来例２と同様の構造をした発光ダイオードエピタキシャルウェハーを作製し、ＲＩＥで高キャリア濃度ｎ型コンタクト層上の電極直下の部分をエッチング除去した。エッチングした形状は、直径９０μｍの円形で、ｐ型層も０．０５μｍだけエッチングした。その後、ｎ型ＧａＮクラッド層と、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層上のエッチングした部分に対応した電極を蒸着した。このときの材料は、Ｔｉ／Ａｌ（３００Å／１５００Å）であり、形状は直系１２０μｍの円形である。この大きさの電極を蒸着することにより、電極は、高キャリア濃度ｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層の両方に接触できる。このようにして作製したＬＥＤの光出力を積分球を用いて測定すると、２０ｍＡ通電時で０．６ｍＷと従来例の２倍の値であった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明してきたとおり、本発明の半導体発光デバイスによれば、電流分散が促進され、発光効率が向上して輝度を上昇させることができる。また、接触抵抗による発熱も少なくなるので、デバイスの劣化を防ぐことができ、発光ダイオードよりも大電流を必要とする高輝度ＬＥＤなどの寿命を飛躍的に伸ばすことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光デバイスの一実施の形態を示すもので、発光ダイオードへの適用例の説明図。
【図２】本発明の発光デバイスの他の実施の形態を示すもので、発光ダイオードへの適用例の説明図。
【図３】本発明の発光デバイスの他の実施の形態を示すもので、発光ダイオードへの適用例の説明図。
【図４】発光特性の説明図。
【図５】従来例の説明図。
【図６】従来例の説明図。
【符号の説明】
１：ｎ型クラッド層
２：活性層
３：ｐ型クラッド層
４：ｐ型コンタクト層
５：ｎ型コンタクト層
６、７：電極
８：凹部

Claims

ｎ型クラッド層の上に順次、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層およびｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層が形成されてなり、エッチング加工により前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層から前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層にかけて凹部が形成され、該凹部内に前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層と前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の双方に接触する電極が形成され、該電極の直下に前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の表面に生じた窒素空孔による高抵抗化部分の電流ブロック層が形成されていることを特徴とする半導体発光デバイス。
前記凹部は、前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層を貫通し、前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の表面を底部とするように形成されている請求項１記載の半導体発光デバイス。
前記凹部は、前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層を貫通し、前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層の表面よりも食い込んだ面を底部とするように形成されている請求項１記載の半導体発光デバイス。
前記ｎ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層と前記電極とはオーム性接触が形成され、前記ｐ型Ａｌ _ｘＧａ _ｙＩｎ _ｚＮコンタクト層と前記電極とはショットキー性接触が形成されている請求項１記載の半導体発光デバイス。
ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）クラッド層の上に順次、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）活性層、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）クラッド層、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）コンタクト層およびｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）コンタクト層が形成されている請求項１記載の半導体発光デバイス。
ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）クラッド層の上に順次、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）活性層、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）クラッド層、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）コンタクト層およびｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）コンタクト層が形成されている請求項１記載の半導体発光デバイス。
前記凹部はエッチング加工により形成されたものである請求項１記載の半導体発光デバイス。
前記エッチング加工は、気相エッチング加工である請求項７記載の半導体発光デバイス。
前記エッチング加工は、液相エッチング加工である請求項７記載の半導体発光デバイス。