JP4841206B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に、駆動電圧(Vf)が低く、光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
近年、短波長光発光素子用の半導体材料としてGaN系化合物半導体材料が注目を集めている。GaN系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物やIII−V族化合物を基板として、その上に有機金属気相化学反応法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)等によって形成される。
GaN系化合物半導体材料の特性として、横方向への電流拡散が小さいことがある。そのために、電極直下の半導体にしか電流が注入されず、発光層で発光した光は電極に遮られて外部に取り出されない。そこで、この系の発光素子では、通常、正極として透明電極が用いられ、正極を通して光が取り出される。
従来の正極は、NiやCoの酸化物とp型半導体に接触するコンタクト金属としてAuなどを組み合わせた層構造であった(例えば特許文献1参照)。近年ではITOなど、より導電性の高い金属酸化物を使用することにより、コンタクト金属の膜厚を極力薄くして、例えばコンタクト金属を用いずに透光性を高めた層構造が正極として採用されている(例えば特許文献2参照)。
ITOなどの導電性透明材料の層は、NiやCoなどの酸化物の層に比較すると、光の透過率が高く、比較的厚く形成することができる。例えば、NiやCoの酸化物が膜厚10から50nm程度なのに対し、200nmから500nmなどの膜厚が利用される。また、ITOなどのn型を示す導電性透明材料は、その高光透過率のため、他のNiやCoに比べ光取り出し効率を向上させることが出来る。しかし、n型のため、p型半導体との間に高い接触抵抗が発生するという問題がある。
特許第2803742号公報 実開平6−38265号公報
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、光取り出し効率に優れ、かつ駆動電圧(Vf)が低い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。
本発明は、下記の発明を提供する。
(1)基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、発光層およびp型半導体層がこの順序で積層され、正極および負極がそれぞれp型半導体層およびn型半導体層に接して設けられた発光素子において、正極と接するp型半導体層中にp型不純物と水素原子が共存する領域があり、正極の少なくともp型半導体層に接する部分がn型導電性透光性材料からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(2)p型不純物と水素原子が共存する領域での水素原子濃度がp型不純物濃度に対して1/10以上〜2/1以下である上記1項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(3)p型不純物と水素原子が共存する領域での水素原子濃度がp型不純物濃度に対して1/5以上〜1.5/1以下である上記2項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(4)p型不純物と水素原子が共存する領域での水素原子濃度とp型不純物濃度が概ね等しい上記3項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(5)p型不純物と水素原子が共存する領域の厚さが正極と接するp型半導体層全体の厚さの40%以上である上記1〜4項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(6)p型不純物と水素原子が共存する領域の厚さが正極と接するp型半導体層全体の厚さの70%以上である上記5項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(7)n型導電性透光性材料がITO、TiO2、ZnO、Bi23、MgO、ZnAlO、ZnSおよびSnO2からなる群から選ばれた少なくとも一種の材料である上記1〜6項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(8)n型導電性透光性材料が少なくともITOを含有している上記7項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(9)正極のn型導電性透光性材料からなる部分の厚さが35nm〜10μmである上記1〜8項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(10)正極のn型導電性透光性材料からなる部分の厚さが100nm〜1μmである請求項9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
(11)上記1〜10項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、正極が接するp型コンタクト層に水素を存在させているので、ITOなどの光透過率の高い金属酸化物からなるn型導電性透光性材料を正極としてp型半導体層に直接設けても、駆動電圧(Vf)が低い。
ITOなどの光透過率の高い金属酸化物からなるn型導電性透光性材料を正極としてp型半導体層に直接設けることにより、透明電極による光の吸収を抑制し光取り出し効率を上げることが出来るとともに、他の材料を使用しないためプロセスが簡略化される。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、p型半導体層に直接接触させる正極材料は、例えばITO、TiO2、ZnO、Bi23、MgO、ZnAlO、ZnSおよびSnO2などの群から選ばれたn型を示す透光性導電材料である。これらの導電材料は、一般に金属薄膜よりも良好な透光性を示すので光取り出し効率が優れている。特にITOが好ましい。
しかし、これらの材料はn型であるため、p型半導体層と接触させてもオーミック接触を形成できなかった。本発明者等は、p型半導体層にp型不純物と水素原子を共存させることにより、これらのn型導電性透光性材料とp型半導体層がオーミック接触を実現することができることを見出した。
本明細書で用いる透光性および透明という用語は、必ずしも100%の光透過率を全波長域で発揮することを意味するものではなく、半導体内部で発生した光を外部に取り出す機能を有することを意味する。従って、発光波長における光透過率にして50%以上であるように、材料と膜厚を制御して作製した膜に対して、この用語を使用する。
上記n型導電性透光性材料からなる正極は、p型半導体層上にほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。正極を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニール処理を施す場合もあるが、施さなくても構わない。
少なくとも正極の一部を構成するn型導電性透光性材料の厚さは、35nmから10μmであることが好ましい。10μmを超えると、光透過性の低下が著しく発光出力の低下が危惧される。干渉効果を考慮すると50nm〜1μmがさらに好ましい。
これらの材料のp型半導体層上への成膜方法については、特に制限されることはなく公知の真空蒸着法やスパッタ法を用いることができる。真空蒸着には加熱方法に抵抗加熱方式や電子線過熱方式などがあるが、金属酸化物など単体金属以外の材料の蒸着には、電子線加熱方式が適している。また、原料となる金属化合物の溶液をp型半導体層表面に塗布した後、酸素含有雰囲気下での熱処理等然るべき処理により金属酸化物膜とする方法も用いることができる。
正極には、通常、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のためにボンディングパッド層が最上層に設けられる。ボンディングパッド層は、Au、Al、NiおよびCu等の材料を用いた各種構造が周知であり、これら周知のものを含めて、各種材料および構造のものを何ら制限無く用いることができる。また、厚さは100〜1000nmが好ましい。ボンディングパッドの特性上厚い方がボンダビリティーが高くなるため、300nm以上が好ましい。さらに、製造コストの観点から500nm以下が好ましい。また、最表層はボンディングボールとの密着性のよい材料、例えばAuとすることが好ましい。
上述のn型導電性透光性材料からなる正極を設ける窒化ガリウム系化合物半導体素子としては、図1に示されるような、基板1上にバッファ層2、n型半導体層3、発光層4およびp型半導体層5が順次結晶成長されて、発光層4およびp型半導体層5の一部がエッチング除去されてn型半導体層3が露出されており、露出されたn型半導体層3上に負極6が、残されたp型半導体層5上に正極7がそれぞれ形成されている構造の窒化ガリウム系化合物半導体素子が周知であり、本発明に係わるn型導電性透光性材料からなる正極もこのような構造の窒化ガリウム系化合物半導体素子に何ら制限なく設けることができる。
基板としては、サファイア単結晶(Al23;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl24)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶などの酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶およびZrB2などのホウ化物単結晶などの基板材料が周知である。本発明においても、これら周知の基板材料を含めて、如何なる基板材料も何ら制限なく用いることができる。これらの中でもサファイア単結晶およびSiC単結晶が好ましい。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
基板上に、通常、バッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型半導体層、発光層およびp型半導体層が積層される。使用する基板やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層の不要な場合がある。
窒化ガリウム系化合物半導体としては、例えば一般式AlXGaYInZ1-AA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式AlXGaYInZ1-AA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、AsおよびBなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、など窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からMOCVD法である。MOCVD法では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N24)およびアジ化物などが用いられる。また、ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si26)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH34Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C254Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。
p型半導体層の気相成長時に添加するp型不純物(ドーパント)しては、Mg、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、カドミウム(Cd)、及び水銀(Hg)等の第II族元素を例示できる。炭素(C)等の第IV族に属する両性不純物もあるが、Mg等の第II族元素をp型不純物として利用するのが望ましい。Mg原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(bis−Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(bis−EtCp2Mg)を用いる。
本発明においては、正極が接するp型半導体層中にp型不純物と水素原子を共存させる。p型半導体層は、通常、バンドギャップエネルギーが発光層より大きいpクラッド層と正極を設けるpコンタクト層から構成される。しかし、pコンタクト層がpクラッド層を兼ねてもよい。従って、p型不純物と水素原子を共存させるのはpコンタクト層である。
pコンタクト層においてはMg等のp型不純物は、その不純物の層内に於ける原子濃度が1×1018cm-3以上で1×1022cm-3以下となる様に添加されていることが、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持等の観点から望ましい。p型半導体層の内部のp型不純物の濃度は、一般的な2次イオン質量分析法(SIMS)、オージェ(Auger)電子分光法(AES)等の分析手段に依り定量できる。
また、pコンタクト層の厚さは、0.01〜0.5μmが好ましく、0.05〜0.2μmがさらに好ましく、0.1μm以下であることが特に好ましい。pコンタクト層の厚さは、気相成長時に於ける、成長反応系への第III族構成元素の原料の供給時間を調節すれば、制御できる。pコンタクト層の厚さは、例えば、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)等の観察より知れる。
上記の如くの厚さを有するpコンタクト層にあって、本発明では、故意に層内から水素原子を逸脱させず、層内の深部に敢えて、水素原子を存在させる。深部とはpコンタクト層の表面からみた奥部であり、発光層側の領域である。この水素原子を敢えて存在させた領域では、p型不純物と敢えて存在させた水素原子との原子濃度の比率(水素原子/p型不純物)は、1/10〜2/1が好ましく、1/5〜1.5/1がさらに好ましい。略1/1とするのが最も好ましい。添加したp型不純物と故意に存在させた水素原子とで、電気的に不活性な複合体を定量的にこの領域で形成するためである。p型不純物と水素の原子濃度は、例えば、SIMS等の分析手段を利用して定量できる。SIMSでの定量は、プロファイル曲線が平坦になっている部分に関して行う。
このp型不純物を電気的に不活性化させるために、敢えて水素原子を存在させるのは、順方向電圧(Vf)や閾値電圧(Vth)を低く抑えるためであり、そのためには、ある程度以上の領域(厚さ)が必要である。例えば、pコンタクト層の全体の厚さ(全厚)に対して、40%以上である。さらに望ましくは、pコンタクト層の全厚に対し70%以上の領域である。
添加したp型不純物と電気的に不活性な複合体を形成している殆ど全ての水素原子を層外へ故意に逸脱させる従来の熱処理手段は、本発明に係わる特定の領域に敢えて水素原子を残存させるに十分な技術手段とは成らない。本発明では、p型不純物を添加してp型不純物を含む層を形成したる後、不活性ガスを主体とした雰囲気内に於いて熱処理し、一部の水素原子を敢えて残存させた領域を形成する。熱処理は、成長を行った成長炉を用いても良い。
また、pコンタクト層の成長が終了した後の冷却過程において、不活性ガスを主体として構成した雰囲気内に於いて、制御された速度で同層を冷却して、一部の水素原子を敢えて残存させた領域を形成する。冷却を開始する温度(例えば、pコンタクト層の形成温度である。)が同一である場合、冷却速度が大きい程、水素原子を敢えて残存させた領域の幅(厚み)は減少する。また、冷却速度が同一である場合、冷却を開始する温度が高温である程、水素原子を敢えて残存させた領域の幅(厚み)は減少する。
pコンタクト層の冷却は、例えば、窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)等の不活性ガスと水素(H2)ガスとの混合雰囲気内でも実施できる。水素の体積含有率をより大とする雰囲気中で冷却すると、水素原子を敢えて残存させた領域の幅(厚み)をより増加させられる。
層内に存在する一部の水素原子を敢えて残存させる領域の厚み(幅)は、冷却開始温度、冷却速度、及び雰囲気の構成に加え、冷却を行う設備の形状等にも依存して異なるものとなる。このため一概には規定できないが、MgをドーピングしたGaN層を、その成長温度である1050℃から、窒素95体積%−水素体積5%の混合雰囲気内で、室温に至る迄、冷却する場合、本発明に係わる水素原子を敢えて残存させた領域を形成するに適する冷却速度は、総じて、毎分40℃以上で120℃以下である。アルミニウム(Al)を含む例えば、AlXGaYN(0≦X,Y≦1,X+Y=1)層の場合、冷却速度はより小さくても(遅くても)許容される。
冷却速度並びに冷却する際の雰囲気ガスの構成を変化させても、pコンタクト層内に添加されたp型不純物の原子濃度の分布は、ほとんど変化しない。従って、pコンタクト層内に含まれている水素原子の減少率の冷却速度依存性等を、予め、調査しておけば、その減少率を基に、冷却速度等を調整して、pコンタクト層の深底部に、p型不純物と水素原子との原子濃度比率を略1:1とする領域を形成することも可能となる。
材料や組成をかえることにより、n型導電性透光性材料の特性、特にキャリア濃度を変化させることができる。n型導電性透光性材料の特性に応じて、pコンタクト層の表層領域に、水素原子の濃度を減らし、電気的に活性化されたp型不純物を多く含む低抵抗領域を形成することが出来る。不活性ガスのみから構成される雰囲気内で冷却するのが効果的である。例えば、窒素、アルゴンまたはヘリウムから構成した雰囲気内で冷却するのが効果的である。具体的には、例えば、MOCVD法によってpコンタクト層を成長させた後、成長時の雰囲気を構成していた水素ガスを主に窒素ガスからなる雰囲気に切り替え、冷却すると形成できる。このことからして、冷却開始時に、上記の好ましい比率で水素ガスを含む雰囲気内で、pコンタクト層の深底部に故意に多量に水素原子を含む領域を形成し、その後、雰囲気を構成するガスを、不活性ガスを主体とする雰囲気として冷却すれば、深底部を多量の水素原子を故意に残留させた高抵抗の領域とし、併せて、表層領域を水素原子の濃度を深底部の領域の1/3以下とする低抵抗領域とするpコンタクト層を形成できる。
pコンタクト層の表層領域に低抵抗領域を形成する際の冷却速度は、深底部に多量の水素原子を残留させる領域を形成する場合の冷却速度より大きく(早く)するのが好適である。pコンタクト層の表層領域に低抵抗層を形成するための冷却操作を、アンモニア(NH3)等の水素と窒素との化合物のガスを主体とする雰囲気内で行うことも想到されるが、水素と窒素との化学結合の開放に因り放出される、水素(原子)が冷却中のpコンタクト層の表層領域に侵入する場合があり、好ましくはない。
n型半導体層および発光層は各種組成および構造のものが多数公知であり、これら公知のものを含めてどのような組成および構造のものも何ら制限無く本発明に用いることができる。また、負極も各種組成および構造のものが多数公知であり、これら公知のものを含めてどのような組成および構造のものも何ら制限無く本発明に用いることができる。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプにすることができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
以下に実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(実施例1)
本実施例では、水素を故意に残留させた領域を含むp型GaN系半導体層上にITO正極を直接設けたGaN系半導体LEDを例にして本発明の内容を具体的に説明する。
本実施例に記載するLED10を作製するために使用したエピタキシャル構造体11の断面模式図を図1に示す。また、図2には、LED10の平面模式図を示す。
積層構造体11は、サファイアのc面((0001)結晶面)からなる基板101上にAlNからなるバッファ層(図示せず)を介して、順次、アンドープGaN層(層厚=2μm)102、珪素(Si)ドープn型GaN層(層厚=2μm、キャリア濃度=1×1019cm-3)103、Siドープn型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚=12.5nm、キャリア濃度=1×1018cm-3)104、6層のSiドープGaN障壁層(層厚=14.0nm、キャリア濃度=1×1018cm-3)と5層のアンドープIn0.20Ga0.80Nの井戸層(層厚=2.5nm)から多重量子構造の発光層105、Mgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚=10nm)106、及びMgドープGaNコンタクト層(層厚=100nm)107を積層して構成した。上記の積層構造体11の各構成層102〜107は、一般的な減圧MOCVD手段で成長させた。
特に、MgドープGaNコンタクト層107は以下の手順に依り成長させた。
(1)MgドープのAl0.07Ga0.93Nクラッド層106の成長が終了した後、成長反応炉内の圧力を2×104パスカル(Pa)とした。
(2)トリメチルガリウムとアンモニアを原料とし、ビスシクロペンタマグネシウム(bis−Cp2Mg)をMgのドーピング源として、1050℃でMgドープGaN層の気相成長を開始した。
(3)トリメチルガリウムとアンモニアとMgのドーピング源を、成長反応炉内へ4分間に亘り継続して供給して、層厚を0.1μmとするMgドープGaN層を成長させた。
(4)トリメチルガリウムとbis−Cp2Mgの成長反応炉内への供給を停止し、MgドープGaN層の成長を停止した。
MgドープGaN層からなるコンタクト層107の気相成長を終了させた後、直ちに、基板101を加熱するために利用していた、高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止した。これより、各構成層102〜107を気相成長させた成長反応炉内で積層構造体11の冷却を開始した。冷却時の雰囲気は、積層構造体11の各構成層を気相成長させるに使用した水素キャリアガスに、窒素を混合させて構成した。窒素と水素の混合比率は、体積比率で95:5とした。この状態で、基板の温度を室温まで20分を費やして降温した。従って、平均の冷却速度は毎分53℃となった。
室温迄、冷却後、成長反応炉より積層構造体11を取り出し、MgドープGaN層からなるコンタクト層107内でのマグネシウム及び水素の原子濃度を一般的なSIMS分析法で定量した。Mg原子は、7×1019cm-3の濃度で、表面から深さ方向に略一定の濃度で分布していた。一方、水素原子は、表層領域で約2×1019cm-3と少なくなっているものの、表面から深さ30nmより深部では6×1019cm-3の略一定の濃度で存在していた。従って、下層106との接合界面から層厚の増加方向に70nmの厚さに至るMgドープp型GaN層107の深底部には、Mgと水素との原子濃度比率を略1:1とする領域が形成されているのが示された。この領域の抵抗は、電流−電圧(I−V)特性から大凡、2kΩと見積もられた。
上記のp型層をコンタクト層107として備えたエピタキシャル層構造体11を用いてLED10を作製した。先ず、n型オーミック電極108を形成する予定の領域に一般的なドライエッチングを施し、その領域に限り、SiドープGaN層103の表面を露出させた。露出させた表面部分には、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)を重層させてなるn型オーミック電極108を形成した。その他の領域に在る、故意に水素を残留させた領域を内在するコンタクト層107の表面の略全域には、厚さ350nmのITOからなるp型オーミック電極109を形成した。さらに、p型オーミック電極109上にTi、Au、AlおよびAuをこの順序で積層した正極ボンディングパッド110を形成した(Tiがオーミック電極側)。
正極ボンディングパッド110を形成した後、サファイア基板101の裏面を、ダイヤモンド微粒などの砥粒を使用して研磨し、最終的に鏡面に仕上げた。その後、積層構造体11を裁断し、350μm角の正方形の個別のLED10へと分離し、リードフレーム上に載置した後、金(Au)線でリードフレームと結線した。
マウントしたLEDのp側およびn側のオーミック電極108,109間に順方向電流を流して電気的特性及び発光特性を評価した。順方向電流を20mAとした際の順方向電圧(Vf)は3.2Vであった。また、外部へ透過して来る発光の波長は455nmであった。また、一般的な積分球で測定された発光出力は10mWであった。この様な特性を示すLEDは、直径2インチの円形基板101の略全面に形成された外観不良品を除く約10000個のLEDについて、ばらつきなく得られた。
また、LED10について、簡易な静電破壊試験を実施した。静電気が突発的に印加されるのを想定して、パルス(plus)電圧を電極間に瞬間的に加え、その後、逆方向での電極間ショート(短絡)の有無を調査した。100個の検体の内、1000Vのパルス電圧印加で破壊されるLEDチップは、1個であった。即ち、逆方向電圧(Vr)の不良発生率は、1%であった。
(実施例2)
本実施例では、実施例1とは異なる条件を用いて水素を故意に残留させた領域を含むp型GaN系半導体層上に、ITO電極を直接コンタクトさせたGaN系半導体LEDについて説明する。
本実施例に記載するLED10を作製するために使用したエピタキシャル構造体11の断面模式図を図1に示す。また、図2には、LED10の平面模式図を示す。
積層構造体11は、サファイアのc面((0001)結晶面)からなる基板101上に、AlNからなるバッファ層(図示せず)を介して順次、アンドープGaN層(層厚=2μm)102、珪素(Si)ドープn型GaN層(層厚=2μm、キャリア濃度=1×1019cm-3)103、Siドープn型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚=12.5nm、キャリア濃度=1×1018cm-3)104、6層のSiドープGaN障壁層(層厚=14.0nm、キャリア濃度=1×1018cm-3)と5層のアンドープIn0.20Ga0.80Nの井戸層(層厚=2.5nm)から多重量子構造の発光層105、Mgドープp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層(層厚=10nm)106、及びMgドープGaNコンタクト層(層厚=100nm)107を積層して構成した。上記の積層構造体11の各構成層102〜107は、一般的な減圧MOCVD手段で成長させた。
特に、MgドープGaNコンタクト層107は以下の手順に依り成長させた。
(1)MgドープのAl0,07Ga0.98Nクラッド層106の成長が終了した後、成長反応炉内の圧力を2×104パスカル(Pa)とした。
(2)トリメチルガリウムとアンモニアを原料とし、ビスシクロペンタマグネシウム(bis−Cp2Mg)をMgのドーピング源として、1050℃でMgドープGaN層の気相成長を開始した。
(3)トリメチルガリウムとアンモニアとMgのドーピング源を、成長反応炉内へ4分間に亘り継続して供給して、層厚を0.1μmとするMgドープGaN層を成長させた。
(4)トリメチルガリウムとbis−Cp2Mgの成長反応炉内への供給を停止し、MgドープGaN層の成長を停止した。
MgドープGaN層からなるコンタクト層107の気相成長を終了させた後、直ちに、基板101の加熱するために利用していた、高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止した。これより、各構成層102〜107を気相成長させた成長反応炉内で積層構造体11の冷却を開始した。冷却時の雰囲気は、積層構造体11の各構成層を気相成長させるに使用した水素キャリアガスに、アンモニアを混合させて構成した。アンモニアは、水素中に体積比率で0.2%の濃度とした。この状態で、基板の温度を800℃まで1分30秒を費やして降温した後、アンモニアの供給を停止し、その状態で室温まで冷却した。平均の冷却速度は、実施例1と同様に毎分53℃となった。
室温迄、冷却後、成長反応炉より積層構造体11を取り出し、実施例1と同様にMgドープGaN層からなるコンタクト層107内でのマグネシウム及び水素の原子濃度を定量した。Mg原子は、1.5×1020cm-3の濃度で、表面から深さ方向に略一定の濃度で、一方、水素原子は、7.5×1019cm-3の略一定の濃度で存在していた。従って、Mgドープp型GaN層は、Mgと水素との原子濃度比率が略2:1であった。この領域の抵抗は、電流−電圧(I−V)特性から大凡、2kΩと見積もられた。
上記のp型層をコンタクト層107として備えたエピタキシャル層構造体11を用いて実施例1と同様にしてITO等を形成し、LED10を作製した。
その後、実施例1と同様に積層構造体11を裁断後、350μm角の正方形の個別のLED10へと分離し、それをリードフレーム上に載置した後、金(Au)線でリードフレームと結線した。
マウントしたLEDのp側およびn側のオーミック電極108,109間に順方向電流を流して電気的特性及び発光特性を評価した。順方向電流を20mAとした際の順方向電圧(Vf)は3.1Vであった。また、外部へ透過して来る発光の波長は455nmであった。また、一般的な積分球で測定された発光出力は10.5mWであった。この様な特性を示すLEDは、直径2インチの円形基板101の略全面に形成された外観不良品を除く約10000個のLEDについて、ばらつきなく得られた。
また、実施例1と同様に、LED10について簡易な静電破壊試験を実施した。静電気が突発的に印加されるのを想定して、パルス(plus)電圧を電極間に瞬間的に加え、その後、逆方向での電極間ショート(短絡)の有無を調査した。100個の検体の内、1000Vのパルス電圧印加で破壊されるLEDチップは、1個であった。即ち、逆方向電圧(Vr)の不良発生率は、1%であった。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、良好な発光出力を有し、駆動電圧が低下するので、その産業上の利用価値は非常に大きい。
本発明のIII族窒化物半導体発光素子を模式的に示した図である。 実施例1および2で作製したエピタキシャル積層構造体の断面模式図である。 実施例1および2で作製したLEDの平面模式図である。
符号の説明
1 基板
2 バッファ層
3 n型半導体層
4 発光層
5 p型半導体層
6 負極
7 正極
10 LED
11 積層構造体
101 基板
102 アンドープGaN層
103 n型GaN層
104 n型AlGaNクラッド層
105 多重量子井戸構造発光層
106 p型AlGaNクラッド層
107 p型AlGaNコンタクト層
108 負極(n型オーミック電極)
109 正極(p型オーミック電極)
110 正極ボンディングパッド

Claims (11)

  1. 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる、n型半導体層、発光層およびp型半導体層がこの順序で積層され、正極および負極がそれぞれp型半導体層およびn型半導体層に接して設けられた発光素子において、正極と接するp型半導体層中にp型不純物と水素原子が共存する領域があり、正極の少なくともp型半導体層に接する部分がn型導電性透光性材料からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  2. p型不純物と水素原子が共存する領域での水素原子濃度がp型不純物濃度に対して1/10以上〜2/1以下である請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  3. p型不純物と水素原子が共存する領域での水素原子濃度がp型不純物濃度に対して1/5以上〜1.5/1以下である請求項2に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  4. p型不純物と水素原子が共存する領域での水素原子濃度とp型不純物濃度が概ね等しい請求項3に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  5. p型不純物と水素原子が共存する領域の厚さが正極と接するp型半導体層全体の厚さの40%以上である請求項1〜4のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  6. p型不純物と水素原子が共存する領域の厚さが正極と接するp型半導体層全体の厚さの70%以上である請求項5に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  7. n型導電性透光性材料がITO、TiO2、ZnO、Bi23、MgO、ZnAlO、ZnSおよびSnO2からなる群から選ばれた少なくとも一種の材料である請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  8. n型導電性透光性材料が少なくともITOを含有している請求項7に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  9. 正極のn型導電性透光性材料からなる部分の厚さが35nm〜10μmである請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  10. 正極のn型導電性透光性材料からなる部分の厚さが100nm〜1μmである請求項9に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
  11. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
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