JP5066274B1 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品質で発光特性に優れた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の実施態様によれば、ｎ形層と、発光層と、ｐ形層と、透明電極と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｎ形層は、窒化物半導体を含み５００ナノメートル以下の厚さを有する。前記発光層は、前記ｎ形層の上に設けられている。前記ｐ形層は、前記発光層の上に設けられ窒化物半導体を含む。前記透明電極は、前記ｎ形層の前記発光層とは反対の面に接し、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の実施態様によれば、ｎ形層と、発光層と、ｐ形層と、透明電極と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｎ形層は、窒化物半導体を含み５００ナノメートル以下の厚さを有する。前記発光層は、前記ｎ形層の上に設けられている。前記ｐ形層は、前記発光層の上に設けられ窒化物半導体を含む。前記透明電極は、前記ｎ形層の前記発光層とは反対の面に接し、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する。
【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
化合物半導体は高周波素子で代表される高速電子デバイス、発光・受光素子で代表される光デバイスなどさまざまな分野で利用されており、高性能な素子が実用化されている。
しかしながら、化合物半導体結晶を量産性に優れたサファイア基板上やシリコン基板上に形成すると、ピットの発生や、クラックの発生や、光吸収による損失などの問題が生ずる場合がある。高品質で発光特性に優れた半導体発光素子の実現が望まれている。
本発明の実施形態は、高品質で発光特性に優れた半導体発光素子を提供する。
本発明の実施態様によれば、ｎ形層と、発光層と、ｐ形層と、透明電極と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｎ形層は、窒化ガリウムからなり平均的な厚さが６００ナノメートル以下のｎ形層であって、光が出射される光取り出し面に形成され平均的な凹凸深さが２００ナノメートル以下であり前記光取り出し面における光の進行方向を変化させ斜面を含む不規則な凹凸形状を有する。前記発光層は、前記ｎ形層の上に設けられ前記光取り出し面から出射される光を放出する。前記ｐ形層は、前記発光層の上に設けられ窒化ガリウムからなる。前記透明電極は、酸化インジウム錫からなり、前記ｎ形層の前記発光層とは反対の面に接し、前記発光層から放出される光に対して透光性を有する。前記透明電極のシート抵抗は、１０Ω／□以下である。
以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、実施の形態にかかる半導体発光素子を表す断面模式図である。
図１は、実施の形態にかかる半導体発光素子を表す断面模式図である。
本実施形態にかかる半導体発光素子１１０は、ｎ形層（第１半導体層）１０と、ｐ形層（第２半導体層）２０と、ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）活性層（発光層）３０と、支持基板４０と、透明電極６０と、第１電極７０と、第２電極８０と、反射金属膜９０と、を備える。そして、本実施形態にかかる半導体発光素子１１０では、ｐ形層２０、活性層３０、ｎ形層１０のＬＥＤ積層構造に対して、ｎ形層１０側に厚さ２００ｎｍの透明電極６０が接合されている。透明電極６０としては、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜などが用いられる。
ｎ形層１０は、厚さ５００ｎｍのｎ形窒化ガリウム結晶からなる。ｎ形層１０には、濃度１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）のＳｉ原子が不純物としてドーピングされている。ｎ形層１０側コンタクトは、透明電極６０に金属細線が配置され、ｎ側電極（第１電極）７０となっている。一方、活性層３０となる窒化物半導体の量子井戸構造の上にはｐ形層２０が積層されており、銀ニッケルからなる反射金属膜９０兼ｐ側電極（第２電極）８０が形成されている。ｐ形層２０は、ｐ形窒化ガリウム結晶からなる。
ここで、２００ｎｍのＩＴＯ膜のシート抵抗はおよそ１０Ω／□であり、キャリア濃度１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）、厚さ５０００ｎｍのｎ形ＧａＮ層とほぼ等価である。
ここで、２００ｎｍのＩＴＯ膜のシート抵抗はおよそ１０Ω／□であり、キャリア濃度１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）、厚さ５０００ｎｍのｎ形ＧａＮ層とほぼ等価である。
本実施形態にかかる半導体発光素子１１０では、ｎ形層１０の厚さは、５００ｎｍ以下である。ｐ形層２０、活性層３０、ｎ形層１０のＬＥＤ積層構造の厚さは、例えば約１．３μｍ以下である。ｎ形層１０側の活性層３０の面と、ｎ形層１０側のｎ側電極７０の面と、の間の距離は、８００ｎｍ以下である。活性層３０からの光は、図１に表した矢印３０Ｌのように、ｎ形層１０の主面（光取り出し面）から出射する。透明電極６０は、活性層３０からの光に対して透光性を有する。つまり、透明電極６０は、半導体発光素子１１０の光取り出し部となる。
ここで、参考例について説明する。例えば、窒化物半導体からなる発光素子では、（０００１）面を表面とするサファイア基板上に同じく（０００１）面を表面とする窒化ガリウム結晶層を形成し、さらにＩｎＧａＮ薄膜結晶層からなる活性層を組み合わせて、発光効率が高い良質な発光ダイオードなどが作成されている。
サファイア上に窒化物半導体結晶層を積層する発光ダイオードでは、サファイア基板上にｎ形ＧａＮ層、量子井戸型発光層、ｐ形ＧａＮ層を積層した構造を用い、サファイア基板が対象とする青色領域の波長帯に対してほぼ透明であることから、サファイア基板の裏面に反射膜を形成した上で、表面側のｐ形ＧａＮ上部より光を取り出す構造（Face-up構造）を採用していることが多い。この場合、サファイア基板上に薄膜成長するＧａＮ結晶層の品質を向上させるため、さらにはコンタクト電極から活性層への電流分布を均一化するために、厚いｎ形ＧａＮ層を積層している。具体的には、サファイア基板上に５μｍ程度のｎ形ＧａＮ層を形成している例がある。
一方、他の参考例として、サファイア基板上にＧａＮ結晶層を成長する場合、サファイア結晶とＧａＮ結晶との間の大きな格子不整合により、ＧａＮ結晶中には大量の転位が導入される。さらにＧａＮ結晶中に転位が導入されると、その上に積層される活性層（多重量子井戸からなる発光層）の品質が劣化し、発光特性が低下する。そのため、転位密度を低減するためのＧａＮ層成長条件の最適化がさまざまに工夫されている。
しかしながら、とりわけＧａＮ結晶にＳｉ原子を不純物として添加したｎ形ＧａＮ層では、成長中の表面での原子のマイグレーションが抑制されるなどして、平面内での凹凸の埋め込み特性が低下し、欠陥を起因とするピットが発生しやすい。この現象は、ｎ形ＧａＮ層の厚さが２〜３μｍを超えて厚くなるときに顕著である。また、安価な下地基板としてのＳｉ結晶基板上にＧａＮ結晶層を成長する場合には、両者の間の熱膨張係数差により、１０００℃以上でのＧａＮ層薄膜結晶成長終了後の降温時にクラックが発生することが問題であるが、ｎ形ＧａＮ層ではＮｏｎ−ｄｏｐｅｄＧａＮ層に比べて、厚さの増大に応じたクラックの発生頻度がより高く、厚いＧａＮ層を得ることが困難である。
一方、さらに他の参考例として、より高い光出力を目指し、電流注入を増大する動作条件化では発熱に対する対策が重要となる。そのために、窒化物半導体からなるＬＥＤ構造をサファイア基板上にエピタキシャル成長した後、ｐ形ＧａＮ層からなる表面側を熱伝導性の高い支持基板に貼り付け、サファイア基板を剥離した構造（Thin-film構造）を採用している例がある。この場合、サファイア基板を剥離したｎ形ＧａＮ層端面が露出して光取り出し面かつコンタクト面となる場合がある。この場合、Face-up構造に比べてコンタクト面に細線電極を形成するなど、新たな加工を施すことが容易となるため、ｎ形ＧａＮ層に要求されるシート抵抗などのスペックは異なる。
また、この場合、前述したように、サファイア基板を剥離したｎ形ＧａＮ層端面を光取り出し面とする場合が多いが、厚いｎ形層での光吸収や抵抗が課題となる。例えば、ドーピング濃度１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）のｎ形層の光吸収係数（α）を１３５と想定した場合、発光層から発生された光はｎ形結晶層中で約６．５％減衰すると見積もられる。
このように、参考例のThin-film構造では、基板上に高品質でシート抵抗の低い薄膜層を得るため形成した厚いｎ形結晶層による光吸収が大きいという課題がある。また、ｎ形ＧａＮ層の厚さが厚いと、ピットやクラックの発生するおそれがある。
これに対して、本実施形態にかかる半導体発光素子１１０では、ｎ形層１０の厚さは、５００ｎｍ以下である。本発明者の検討の結果、活性層３０が例えば４００ｎｍの波長の光を発光する場合には、活性層３０から発光された光は、ｎ形層１０中で約０．６５％減衰する。また、活性層３０から発光された光は、厚さ２００ｎｍの透明電極６０中で約５．８％減衰する（透明電極の光吸収係数（α）を３０００と想定した場合）。つまり、ｎ形層１０と透明電極６０との組み合わせによる減衰率は、約６．４５％である。この減衰率は、参考例における厚いｎ形結晶層中での減衰率（約６．５％）よりも低い。
また、ｎ形層１０の厚さをより薄くし５００ｎｍ以下とすると、ピットやクラックの発生を抑えることができる。また、エピタキシャル成長時間を短くできるなどの効果が得られる。これらにより、本実施形態にかかる半導体発光素子１１０は、高品質で発光特性に優れている。
次に、このような半導体発光素子構造を作成するためのプロセスの一例について説明する。
基板として（０００１）面を表面とするサファイア基板を用意する。なお、基板は、サファイア基板に限定されず、シリコン基板であってもよい。サファイア基板結晶の厚さは４５０μｍである。該サファイア基板を酸処理により洗浄した後、試料基板をＭＯＣＶＤ（有機金属を用いた気相成長法）装置に導入し、基板温度を５００℃まで昇温しＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３（アンモニア）を原料として２０ｎｍの窒化ガリウム層を形成する。
基板として（０００１）面を表面とするサファイア基板を用意する。なお、基板は、サファイア基板に限定されず、シリコン基板であってもよい。サファイア基板結晶の厚さは４５０μｍである。該サファイア基板を酸処理により洗浄した後、試料基板をＭＯＣＶＤ（有機金属を用いた気相成長法）装置に導入し、基板温度を５００℃まで昇温しＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３（アンモニア）を原料として２０ｎｍの窒化ガリウム層を形成する。
その後、基板の温度を１０８０℃に昇温する。さらに引き続き、１０８０℃において、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３（アンモニア）を原料として４μｍの窒化ガリウム層を形成する。この不純物を含まないＧａＮ結晶層の成長により、ピットのない平坦な結晶層を形成できる。さらにこの上に１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）のシリコン原子を不純物として添加した窒化ガリウム層（ｎ形層１０）を０．５μｍ積層する。シリコン添加のための原料はシランガスを用いている。このときｎ形ＧａＮ層の厚さが厚い場合にはピットが発生する可能性が高くなるが、１μｍ以下の厚さではそのリスクは小さい。このｎ形窒化ガリウム結晶層の上にＩｎＧａＮとＧａＮの多層膜からなる発光層（活性層３０）を積層する。また、発光層（活性層３０）を光らせるための電流注入をするために、結晶構造の上部側にはｐ形（Ｍｇ）のドーピングをする。
本実施形態では、窒化物半導体結晶層の薄膜結晶成長の手法として有機金属を用いた気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を挙げているが、一般に窒化物半導体結晶成長に用いられている薄膜結晶成長法である分子線エピタキシー法（MBE: Molecular Beam Epitaxy）やＨＶＰＥ法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)などいずれの方法を用いてもかまわない。
このようにしてＬＥＤ構造の薄膜結晶をエピタキシャル成長した後、ｐ形層２０表面に反射膜兼コンタクト層としてのＡｇを含む金属膜、例えば銀ニッケル層、を積層後、シリコンあるいは銅などの支持基板４０に貼り合わせる。
次に、薄膜結晶成長用基板であるサファイア基板を剥離する。剥離としては、サファイア基板と窒化物半導体層との界面に焦点を合わせたレーザ光を照射して、界面付近にのみ部分的にダメージを与えるＬＬＯ（レーザリフトオフ）とよばれる方法を用いる。その上で、露出した不純物を含まないＧａＮ結晶層をさらにエッチングして、ｎ形ＧａＮ層を５００ｎｍ残す。その後に２００ｎｍのＩＴＯ膜（透明電極６０）を積層し、さらに細線電極を形成する。このようにして、本実施形態にかかる半導体発光素子１１０が形成される。
なお、前述したプロセスでは、不純物を含まないＧａＮ層を４μｍと、シリコン原子を不純物として添加したｎ形ＧａＮ層を５００ｎｍと、を堆積し、レーザリフトオフ後に露出した不純物を含まないＧａＮ層をエッチングすることで厚さ５００ｎｍのｎ形層１０を形成しているが、これだけに限定されるわけではない。例えばサファイア基板上に直接形成するＧａＮ層の薄膜成長のプロセスにおいて、５００ｎｍのｎ形ＧａＮ層のみを形成してもよい。
次に、他の実施の形態について説明する。
図２は、他の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す断面模式図である。
図２は、他の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す断面模式図である。
本実施形態にかかる半導体発光素子１２０は、ｐ形層２０、活性層３０、ｎ形層１０のＬＥＤ積層構造を用いている。ｎ形層１０は、平均的な厚さ６００ｎｍのｎ形窒化ガリウム結晶からなる。このｎ形ＧａＮ層（ｎ形層１０）表面（光取り出し面）には、平均的な凹凸深さ２００ｎｍの不規則な凹凸加工が施されている。なお、本願明細書において、ｎ形層１０の厚さが「５００ｎｍ以下」であるという範囲には、ｎ形層１０の平均的な厚さからｎ形層１０の表面に施された凹凸形状の平均的な凹凸深さを差し引いた値が５００ｎｍ以下であるものが含まれるものとする。これにより、光取り出し面における光の進行方向を変化させることができる。この凹凸加工面にさらにＩＴＯ層（透明電極６０）が積層されている。ｎ形ＧａＮ層には、濃度１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）のＳｉ原子が不純物としてドーピングされている。活性層３０となる窒化物半導体の量子井戸構造の上にはｐ形の窒化ガリウムが積層されており、銀ニッケルからなる反射金属膜９０兼ｐ側電極（第２電極）８０が形成されている。その他の構造は、図１に関して前述した半導体発光素子１１０の構造と同様である。
前述したような凹凸加工は、ＧａＮ結晶層の成長用基板であるサファイア結晶から剥離し、不純物を含まないＧａＮ結晶層をエッチングしてｎ形ＧａＮ層を漏出させた後にＫＯＨ溶液によるエッチングで形成することができる。このように、ＫＯＨによるエッチングで形成した凹凸加工表面に厚さ２００ｎｍのＩＴＯ薄膜層（透明電極６０）を形成する。
次に、図１に関して前述した半導体発光素子１１０を作成するためのプロセスの他の一例について説明する。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、プロセスの他の一例を説明する断面模式図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、プロセスの他の一例を説明する断面模式図である。
図３（ａ）に表したように、基板として厚さ５００μｍのＳｉ基板５０を用意する。表面の結晶面方位は、（１１１）面である。一般に大気中に置かれているＳｉ基板５０表面は、自然酸化膜で被覆されている。そのため、この自然酸化膜を除去し、基板表面に水素終端処理を施すために、試料基板を濃度１％程度の希弗酸溶液により約１分程度の処理を行う。この処理によりＳｉ層表面は水素で終端された表面構造となり、はっ水性の表面となる。
続いて、このように表面が水素終端処理された極薄Ｓｉ基板５０上に窒化ガリウム結晶層（ＧａＮ層１６）を薄膜結晶成長（エピタキシャル成長）する。ただし、一般にＳｉ結晶とＧａ金属とは容易に反応し、界面に欠陥領域（Melt-Back領域）を形成する。そのため、これを避けるため、Ｓｉ基板５０上に最初にＡｌＮ薄膜結晶層（第１バッファ層１２）を形成する。
試料基板をＭＯＣＶＤ（有機金属を用いた気相成長法）装置に導入し、基板温度を７００℃まで昇温しＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ３（アンモニア）を原料として３０ｎｍの窒化アルミニウム層を形成する。その後、基板の温度を１０８０℃に昇温し、原料にＴＭＧ（トリメチルガリウム）を加え、Ａｌ組成２５％、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ層（第２バッファ層１４）を積層する。
さらに、引き続き、１１２０℃において、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３（アンモニア）を原料として０．３μｍの窒化ガリウム層１６を形成する。続いて、成膜温度８００℃で厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層１８を積層する。この下地を基本に厚さ３００ｎｍのＧａＮ層１６と、厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層１８と、を４周期積層する。なお、ここまでのＧａＮ層１６、ＡｌＮ層１８には不純物を添加していない。
このように、ＡｌＮ薄膜層とＧａＮ層とを繰り返すことにより、成長層内部に圧縮の応力を蓄積させることができ、成長温度を下げた際のＳｉ結晶とＧａＮ結晶の熱膨張係数差に起因するＧａＮ層１６へのクラックの発生を抑制することが可能である。また、下地のＧａＮ層１６を不純物を含まない層とすることにより、４周期合計１．２μｍのＧａＮ層を積層しているにもかかわらず、クラックの発生を抑制できる。
続いて、厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層１８を４回積層した後に、厚さ５００ｎｍのＧａＮ層（ｎ形層１０）を積層する。このＧａＮ層には、１×１０１９（ａｔｏｍｓ・ｃｍ−３）のＳｉを不純物として添加してある。このｎ形窒化ガリウム結晶層（ｎ形層１０）の上にＩｎＧａＮとＧａＮの多層膜からなる発光層（活性層３０）を積層する。また、発光層を光らせるための電流注入をするために、結晶構造の上部側にはｐ形（Ｍｇ）のドーピングをする。
図１に関して前述したように、窒化物半導体結晶層の薄膜結晶成長の手法としては、分子線エピタキシー法（MBE: Molecular Beam Epitaxy）やＨＶＰＥ法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)などいずれの方法を用いてもかまわない。
このようにしてＬＥＤ構造の薄膜結晶をエピタキシャル成長した後、ｐ形層２０表面に反射膜兼コンタクト層としてのＡｇを含む金属膜、例えば銀ニッケル層、を積層後、シリコンあるいは銅などの支持基板に貼り合わせる。
次に、薄膜結晶成長用基板であるＳｉ基板５０を除去する。ｐ形層２０側に支持基板４０を貼り付けた後、成長基板を研削することにより成長用Ｓｉ基板５０を除去することが可能である。このとき、Ｓｉ基板５０をおおむね研削により除去した後、最終的にＳＦ６ガスをエッチャントとするドライエッチングでわずかに残ったＳｉを除去することにより、Ｓｉ基板５０上に最初に形成したＡｌＮ層（第１バッファ層１２）を露出させることができる。
その上で、図３（ｂ）に表したように、露出した薄膜ＡｌＮ層、及び４周期の不純物を含まないＧａＮ層１６、ＡｌＮ層１８をさらにエッチングして、ｎ形ＧａＮ層（ｎ形層１０）を５００ｎｍ残す。その後に２００ｎｍのＩＴＯ膜（透明電極６０）を積層し、さらに細線電極を形成する。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる活性層、半導体層、透明電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ ｎ形層、 １２ 第１バッファ層、 １４ 第２バッファ層、 １６ ＧａＮ層、 １８ ＡｌＮ層、 ２０ ｐ形層、 ３０ 活性層、 ４０ 支持基板、 ５０ Ｓｉ基板、 ６０ 透明電極、 ７０ 第１電極、 ８０ 第２電極、 ９０ 反射金属膜、 １１０、１２０ 半導体発光素子
Claims (2)
- 窒化ガリウムからなり平均的な厚さが６００ナノメートル以下のｎ形層であって、光が出射される光取り出し面に形成され平均的な凹凸深さが２００ナノメートル以下であり前記光取り出し面における光の進行方向を変化させ斜面を含む不規則な凹凸形状を有するｎ形層と、
前記ｎ形層の上に設けられ前記光取り出し面から出射される光を放出する発光層と、
前記発光層の上に設けられ窒化ガリウムからなるｐ形層と、
酸化インジウム錫からなり、前記ｎ形層の前記発光層とは反対の面に接し、前記発光層から放出される光に対して透光性を有し、シート抵抗が１０Ω／□以下の透明電極と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記ｎ形層と、前記発光層と、前記ｐ形層と、を合わせた厚さは、８００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
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