JP4853198B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体発光素子に関し、特に、静電耐圧特性に優れるIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。

III族窒化物系化合物半導体発光素子は、青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や緑色ＬＥＤの材料として需要が高まっているが、信頼性の点において静電耐圧の向上が求められている。

このような要求に対して、サファイア基板上にバッファ層を形成した後、アンドープＧａＮ層とｎ側コンタクト層を設け、その上に１０５０℃でアンドープＧａＮ層を２０００Åの膜厚で成長させ、続いて同温度にてＳｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮ層を３００Åの膜厚で成長させることにより、静電耐圧の向上を図った窒化物半導体素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の窒化物半導体素子として、ｎ側コンタクト層上に１０５０℃でアンドープＧａＮ層を１５００Åの膜厚で成長させ、さらに１０５０℃でＳｉを５×１０^１７／ｃｍ^３ドープしたＧａＮ層を１００Åの膜厚で成長させた窒化物半導体素子が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−２８６４５１号公報 特開２００５−２６０２１５号公報

しかし、従来の窒化物半導体素子によると、アンドープＧａＮ層の膜厚制御では静電耐圧の向上に限界がある。

従って、本発明の目的は、静電耐圧特性に優れるIII族窒化物系化合物半導体発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、サファイア基板上に設けられるバッファ層上に、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層、発光する層、およびｐ側のIII族窒化物系化合物半導体層を順次設けてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、前記ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層は、前記バッファ層と前記発光する層との間に、膜厚が１５００〜４０００ÅでＲＭＳ（Root Mean Square）３〜１２（ｎｍ）の粗さを有するｉＧａＮ層と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層と、を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。

このような構成によれば、膜厚１５００〜４０００ÅでＲＭＳ３〜１２ｎｍの粗さを有するｉＧａＮ層と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層とを設けることで、局部的に電荷が集中することを抑えた構造とすることができ、その結果、静電耐圧特性の向上を図ることができる。
また、ｉＧａＮ層に電流経路を形成するうえで好ましいピットが得られる。さらに、この上に積層されるｎＧａＮ層のＳｉがピット周囲に集中することにより、電流経路の形成が促進されてさらなる静電耐圧特性の向上を図ることができる。

また、本発明は、上記目的を達成するために、サファイア基板上に設けられるバッファ層上に、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層、発光する層、およびｐ側のIII族窒化物系化合物半導体層を順次設けてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、前記ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層は、前記バッファ層と前記発光する層との間に、ＭＯＣＶＤ法により８００〜９００℃の温度範囲で結晶成長され膜厚が１５００〜４０００ÅのｉＧａＮ層と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層と、を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。

このような構成によれば、ｉＧａＮ層は８００〜９００℃の温度範囲で結晶成長されることから、好ましい粗さのＲＭＳを有することとなる。そして、膜厚１５００〜４０００Åで好ましいＲＭＳの粗さを有するｉＧａＮ層と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層とを設けることで、局部的に電荷が集中することを抑えた構造とすることができ、その結果、静電耐圧特性の向上を図ることができる。
また、ｉＧａＮ層に電流経路を形成するうえで好ましいピットが得られる。さらに、この上に積層されるｎＧａＮ層のＳｉがピット周囲に集中することにより、電流経路の形成が促進されてさらなる静電耐圧特性の向上を図ることができる。

また、上記III族窒化物系化合物半導体発光素子において、前記iＧａＮ層は、ＲＭＳ（Root Mean Square）が５〜１２（ｎｍ）であることが好ましい。

また、上記III族窒化物系化合物半導体発光素子において、前記ｎＧａＮ層は、前記特性値が１．５×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）であることが好ましい。

また、上記III族窒化物系化合物半導体発光素子において、前記ｎＧａＮ層は、膜厚が２５０〜５００Åであることが好ましい。

このような構成によれば、上述した好ましい特性に加えて、膜厚が２５０〜５００ÅのｎＧａＮ層全体に含まれるＳｉ原子の特性値が発光素子の垂直方向に電流経路を形成するうえで好ましい値となり、その結果、静電耐圧特性の向上を図れるとともに光取出性が確保される。ここでいうＳｉ原子の特性値は、単位体積あたりのＳｉ原子の量と膜厚との積により定められる。

また、上記III族窒化物系化合物半導体発光素子において、前記III族窒化物系化合物半導体発光素子は、フェイスアップ型の発光素子であることが好ましい。

また、本発明は、上記目的を達成するために、サファイア基板上に設けられるバッファ層上に、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層、発光する層、およびｐ側のIII族窒化物系化合物半導体層を順次設けてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する工程は、８００〜９００℃の温度範囲でｉＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する工程と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明によると、III族窒化物系化合物半導体発光素子の静電耐圧特性を向上させることができる。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子（以下「発光素子」という。）の断面図である。

（発光素子１の構成）
図１に示すように、この発光素子１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板１０１と、ＡｌＮバッファ層１０２と、ｎコンタクト層１０３と、第１のｎＥＳＤ（Electro Static Discharge）層としてのｉＧａＮ層１０４と、第２のｎＥＳＤ層としてのｎＧａＮ層１０５と、ｎ超格子層１０６と、発光層１０７と、ｐ超格子層１０８と、ｐＧａＮ層１０９と、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)１１０と、パッシベーション層１１１と、Ｖ層１１２ＡおよびＡｌ層１１２Ｂからなるｎ側電極１１２とを有する。

本実施の形態で発光素子１を構成するIII族窒化物系化合物半導体には、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を追加でき、また、ｐ型不純物としてＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。

また、これらの半導体層を結晶成長させる基板としては、サファイア、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｇａ_２Ｏ_３あるいは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。

また、これらの半導体層を結晶成長させる方法として、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いることができる。以下の説明では、ＭＯＣＶＤ法に基づく発光素子の製造をもとに説明する。

（各部の構成）
ＡｌＮバッファ層１０２は、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０１上に４００℃の成長温度で膜厚１５０Åで形成されている。

ｎコンタクト層１０３は、シリコン（Ｓｉ）が５×１０^１８／ｃｍ^３ドープされたＧａＮからなる高キャリア濃度のｎ^＋層であり、１０８０〜１１４０℃の成長温度でＡｌＮバッファ層１０２上に膜厚４．０μｍで形成されている。

このｎコンタクト層１０３の上には、８５０℃の成長温度で形成されてアンドープＧａＮからなる膜厚３０００ÅのｉＧａＮ層１０４と、８５０℃の成長温度で形成されてＳｉが５×１０^１８／ｃｍ^３ドープされた膜厚３００ÅのｎＧａＮ層１０５が形成されており、第１および第２のＥＳＤ層からなるｎＥＳＤ層を構成している。この場合、単位体積あたりのＳｉ原子の量と膜厚との積により定められるＳｉ原子の特性値は１．５×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）である。
また、膜厚３００ｎÅのＧａＮ層１０５にドープされるＳｉは３×１０^１８／ｃｍ^３としてもよい。この場合、単位体積あたりのＳｉ原子の量と膜厚との積により定められるＳｉ原子の特性値は０．９×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）である。
すなわち、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する工程は、８００〜９００℃の温度範囲でｉＧａＮ層１０４をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する工程と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層１０５をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する工程と、を含んでいる。

ｎ超格子層１０６は、厚さ２〜５ｎｍのＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層（０．０６≦Ｘ≦０．１４）と厚さ２〜５ｎｍのｎ−ＧａＮ層を繰り返し１０周期の積層構造とすることにより形成されている。

発光層１０７は、いずれもアンドープ層で形成されており、膜厚３ｎｍのＩｎ_０．２５Ｇａ_０.７５Ｎ層と、低温成長させた膜厚２ｎｍのＧａＮ層と、高温成長させた膜厚４ｎｍのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層とを５周期、さらに膜厚３ｎｍのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層と低温成長させた膜厚２ｎｍのＧａＮ層と、高温成長させた膜厚２．５ｎｍのＧａＮ層によって形成されている。

ｐ超格子層１０８は、膜厚２．５ｎｍでアンドープのＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層（０．０５≦Ｘ≦０．４）と、膜厚２ｎｍで８４０℃以下の低温成長によりマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０^２０／ｃｍ^３ドープされたＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ層（０．０５≦Ｘ≦０．１２）と、膜厚２．５ｎｍでＭｇが１×１０^２０／ｃｍ^３ドープされたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層（０．２５≦Ｘ≦０．４）とを５回繰り返して、総膜厚２５ｎｍとなるように形成されている。

ｐＧａＮ層１０９は、Ｍｇが５×１０^１９／ｃｍ^３ドープされたＧａＮからなり、ｐ超格子層１０８上に膜厚８０ｎｍで形成されている。

ＩＴＯ１１０は、発光波長に対して光透過性を有する電流拡散層として、ｐＧａＮ層１０９上に膜厚３００ｎｍとなるように形成されている。

パッシベーション層１１１は、スパッタリングによって接続部分を除く素子表面にＳｉＯ_２を設けることにより形成されている。

ｎ側電極１１２は、エッチングによってｎコンタクト層１０３を露出させた部分に設けられるバナジウム（Ｖ）層１１２Ａと、Ｖ層１１２Ａに積層されるアルミニウム（Ａｌ）層１１２Ｂによって形成されている。

図２は、本実施の形態の発光素子に係る特性図であり、（ａ）はｉＧａＮ層の膜厚とＲＭＳとの関係を示す特性図、（ｂ）はＲＭＳとＥＳＤ生存率との関係を示す特性図、（ｃ）はｎＧａＮ層におけるＳｉ原子の特性値とＥＳＤ生存率との関係を示す特性図である。

ｎＥＳＤ層は、ｉＧａＮ層１０４において形状の良好なピットが形成される膜厚を有することが望ましく、発光波長４６０〜４７０ｎｍの青色発光素子では１５００〜４０００Åの膜厚、特に３０００Åで形成されることが好ましい。本発明者による検討の結果、８００〜９００℃の成長温度範囲でｉＧａＮ層１０４の膜厚を変化させながら結晶成長を行ったところ、膜厚３０００Åにおいて成長面の粗さがＲＭＳ３〜１２（ｎｍ）の範囲で変化することを確認しており、更に成長温度を８２０〜８６０℃で変化させて検討を行ったところ、図２（ａ）に示すように、成長温度８５０℃、膜厚３０００Åで成長面上での２μｍ角の範囲にＲＭＳ５程度のピットが形成されたｉＧａＮ層１０４が得られた。また、図２（ａ）に示すように、膜厚１５００〜４０００ÅではＲＭＳが４〜８（ｎｍ）のピットが形成されたｉＧａＮ層１０４が得られた。ここで、ｉＧａＮ層１０４の成長温度が８００℃より低いと結晶性が悪くなり、９００℃より高いとピットが少なくなる。このようなｉＧａＮ層１０４に成長温度８５０℃で後述するｎＧａＮ層１０５を形成した発光素子１では、ＲＭＳ５以上１２以下のピットを有するｉＧａＮ層１０４の場合に図２（ｂ）に示すようにＥＳＤ生存率が７０％以上となる傾向を確認している。

なお、上記した発光素子１については青色発光素子について説明したが、緑色発光素子であれはｉＧａＮ層１０４を１５００〜３０００Åで形成することも可能である。

このｉＧａＮ層１０４上にｎＧａＮ層１０５を形成することで、ピットの周囲にＳｉが集中し、垂直方向に対する電流経路が形成される。ここで、ｎＧａＮ層１０５におけるＳｉ原子の特性値を０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）とすることで、図２（ｃ）に示すようにＥＳＤ生存率が７３％以上となることが確認された。尚、図２（ｃ）では、Ｓｉ原子の特性値が０．９×１０^２１〜３．０×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のときに、ＥＳＤ生存率が７３％以上となることが明らかとなっている。
また、ｎＧａＮ層１０５におけるＳｉ原子の特性値を１．５×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）とすることで、図２（ｃ）に示すようにＥＳＤ生存率が８８％以上となることが確認された。尚、図２（ｃ）では、Ｓｉ原子の特性値が１．５×１０^２１〜３．０×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のときに、ＥＳＤ生存率が７３％以上となることが明らかとなっている。
さらに、単位体積あたりのＳｉ原子の量と膜厚との積により定められるＳｉ原子の特性値が３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）を超えると、ＥＳＤ生存率は悪化しないものの、発光光度が低下することも確認された。

（本実施の形態の効果）
上記した本実施の形態によると、成長面にＳｉの集中を促すピットが形成されたｉＧａＮ層１０４と、これに積層されるＳｉ原子の特性値を０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）としたｎＧａＮ層１０５とでｎＥＳＤ層を形成したので、素子の垂直方向に対する電流経路を形成することができ、そのことによって静電耐圧特性の向上を図ることができる。また、素子の静電耐圧特性向上により、サブマウント等の保護部材を設けなくとも良好な信頼性を有するので、発光素子を用いたデバイスのコストダウンを図ることも可能になる。

本発明の実施の形態に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の断面図である。 本実施の形態の発光素子に係る特性図であり、（ａ）はｉＧａＮ層の膜厚とＲＭＳとの関係を示す特性図、（ｂ）はＲＭＳとＥＳＤ生存率との関係を示す特性図、（ｃ）はｎＧａＮ層におけるＳｉ原子の特性値とＥＳＤ生存率との関係を示す特性図である。

符号の説明

１…発光素子、１０１…サファイア基板、１０２…ＡｌＮバッファ層、１０３…ｎコンタクト層、１０４…ｉＧａＮ層（ｎＥＳＤ層）、１０５…ｎＧａＮ層（ｎＥＳＤ層）、１０６…ｎ超格子層、１０７…発光層、１０８…ｐ超格子層、１０９…ｐＧａＮ層、１１０…ＩＴＯ（電流拡散層）、１１１…パッシベーション層、１１２…ｎ側電極、１１２Ａ…Ｖ層、１１２Ｂ…Ａｌ層

Claims (7)

1. サファイア基板上に設けられるバッファ層上に、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層、発光する層、およびｐ側のIII族窒化物系化合物半導体層を順次設けてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   前記ｎ側III族窒化物系化合物半導体層は、前記バッファ層と前記発光する層との間に、膜厚が１５００〜４０００ÅでＲＭＳ（Root Mean Square）３〜１２（ｎｍ）の粗さを有するiＧａＮ層と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層と、を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. サファイア基板上に設けられるバッファ層上に、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層、発光する層、およびｐ側のIII族窒化物系化合物半導体層を順次設けてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   前記ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層は、前記バッファ層と前記発光する層との間に、ＭＯＣＶＤ法により８００〜９００℃の温度範囲で結晶成長され膜厚が１５００〜４０００ÅのiＧａＮ層と、１ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層と、を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 前記iＧａＮ層は、ＲＭＳ（Root Mean Square）が５〜１２（ｎｍ）であることを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
4. 前記ｎＧａＮ層は、前記特性値が１．５×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
5. 前記ｎＧａＮ層は、膜厚が２５０〜５００Åであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
6. 前記III族窒化物系化合物半導体発光素子は、フェイスアップ型の発光素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
7. サファイア基板上に設けられるバッファ層上に、ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層、発光する層、およびｐ側のIII族窒化物系化合物半導体層を順次設けてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
   前記ｎ側のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する工程は、
   ８００〜９００℃の温度範囲でiＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する工程と、
   １ｃｍ^３あたりのＳｉ原子の量と膜厚（Å）の積により定められる特性値が０．９×１０^２１〜３．６×１０^２１（atoms・Å／ｃｍ^３）のｎＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

Images