JP5162809B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
またさらに、静電耐圧を高くする構造として、n型半導体層とp型半導体層とで活性層を挟む窒化物半導体素子において、複数の層からなるn型半導体層に、n型不純物を含むn型半導体層を設けることでVfが低下する傾向にあり、低濃度のn型不純物もしくはアンドープのn型半導体層を設けることで静電耐圧が向上する傾向にある。そして、この低濃度のn型不純物もしくはアンドープのn型半導体層を厚膜で設けると静電耐圧特性がさらに向上する傾向にあるが、その一方で、上記課題のVfが駆動時間経過とともに変動してしまう問題が特に目立つ傾向にあった。
前記第1のn側層及び前記第3のn側層はアンドープ層の層であり、
前記第2のn側層のn型不純物濃度が第1のn側層及び第3のn側層のn型不純物濃度よりも高く、前記第2のn側層は、前記第1のn側層と実質的に組成が同じかバンドギャップエネルギーが同じであり、
第1のn側層の膜厚が1000オングストローム以上3000オングストローム以下であり、前記第2のn側層の膜厚が10オングストローム以上1000オングストローム未満であり、第3のn側層の膜厚が1000オングストロームより厚く5000オングストローム以下であって、
前記第2のn側層の膜厚が、第1のn側層及び第3のn側層の膜厚よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体素子である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の窒化物半導体素子であって、前記第1のn側層及び第3のn側層は、実質的に組成が同じかバンドギャップエネルギーが同じであることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の窒化物半導体素子であって、前記第1のn側層および第2のn側層がGaNからなることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子であって、前記第1乃至第3のn側層がGaNからなることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子であって、前記第3のn側層と活性層との間に、第3のn側層に接して、第4のn側層を有し、前記第4のn側層は、n型不純物を含み、前記第4のn側層は、前記第3のn側層と実質的に組成が同じがバンドギャップエネルギーが同じであることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の窒化物半導体素子であって、前記第4のn側層は、n型不純物を含み、前記第2のn側層のn型不純物濃度以上の濃度であることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項5又は6に記載の窒化物半導体素子であって、前記第4のn側層と活性層との間に第5のn側層を有し、前記第4のn側層のn型不純物濃度は、前記第5のn型不純物濃度よりも高いことを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子であって、前記第1のn側層の、隣接する層との界面の表面積が、1mm2以下であることを特徴とする。
請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子であって、前記n側コンタクト層は、活性層側と反対の第1の主面側に窒化物半導体と異なる基板を有し、さらに活性層側に、隣接する窒化物半導体層との界面をなす第2の主面と、前記第2の主面より基板側にn電極を有する第3の主面とを有し、第1の主面から第3の主面までの膜厚が、3μm以上または第1の主面から第2の主面までの膜厚に対して80%以下であることを特徴とする。
図1は、本発明の窒化物半導体素子である発光ダイオード(LED)の構造を示す模式的断面図であるが、本発明はこれに限定されない。
図1は、基板1の上に、バッファ層2、下地層3、n側コンタクト層4、第1のn側層5、第2のn側層6、第3のn側層7、第4のn側層8、活性層11、p側コンタクト層14が順に積層された構造を有するLEDを示す。ここで、本件発明の実施の形態1においては、第2のn側層および第4のn側層のn不純物濃度はそれぞれ、第1のn側層および第3のn側層のn型不純物濃度よりも高いことを特徴とする。なお、本実施の形態におけるn型不純物とはSiである。本発明において、窒化物半導体におけるn型不純物としては、炭素(C),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、硫黄(S),セレン(Se)およびテルル(Te)などを用いることができるが、好ましくは導電性の点でSiを用いる
例えば従来のn型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層とが活性層を挟むような窒化物半導体発光素子では、素子特性のよい発光素子として、Vfの低い素子が、また静電耐圧の高い素子が必要とされる。そして、n型窒化物半導体層がn導電型を示す不純物(n型不純物)を含むことでVfの低い窒化物半導体素子が得られる傾向にあり、逆にn型窒化物半導体層がアンドープか、低濃度のn型不純物を含む場合、静電耐圧の高い窒化物半導体素子が得られる傾向にあるが、これらはn型不純物の濃度については相反するものとなり、静電耐圧を高くしようとすると、Vfが高くなるなどの問題がある。本発明者らは、アンドープか、低濃度のn型不純物を含む窒化物半導体層を厚膜で設けることにより、Vfの駆動時間経過による変動がおこりやすいと考え、本発明にいたり、静電耐圧特性に優れかつVfの駆動時間経過による変動を抑えた窒化物半導体素子を得ることができた。
さらに、このアンドープの層の活性層側に接するn型不純物を含む層のn型不純物濃度は、少なくとも隣接するアンドープの層よりもn型不純物濃度が高く、また5X1017/cm3以上、好ましくは1X1018/cm3、より好ましくは5X1018/cm3以上とすることで、電子の移動速度Vを低下させ、Vfの駆動時間経過による変動を抑えることができる。加えて、n型不純物を含む層は、n側コンタクト層のn型不純物濃度とほぼ等しいかそれよりも小さいことが好ましい。n型不純物濃度がn側コンタクト層よりも大きくなると、この層から活性層への電子の供給が支配的となってしまい、隣接するアンドープの層やその他の層が好適に機能しない。
さらに、この最小構成をn側コンタクト層と活性層との間に備えた窒化物半導体素子において、最小構成のアンドープの層の隣接する層との界面の表面積が1mm2よりも小さいことが好ましい。実施の形態1においては、第1のn側層もしくは第3のn側層の表面積が1mm2よりも小さいことが好ましい。本発明の課題とするVfの駆動時間経過による変動は、n側コンタクト層から供給される電子が、スパイクに衝撃を継続的に与えることにより起こる問題から、アンドープの層の界面の表面積が小さい、すなわち単位面積あたりの電子の数が多くなる窒化物半導体素子に特に発生しうる問題である。すなわちアンドープの層の界面の表面積が小さいほど、本発明の最小構成を備えることによるVf変動の抑制が効果的にはたらく。窒化物半導体素子では、大きくは3インチのサファイア基板、その他2インチのGaN基板や、6インチのSiC基板上に、窒化物半導体層を積層し、積層した窒化物半導体ウエハを種々の面積となるようにチップ化して窒化物半導体素子を得るが、チップ化した際の表面積が特に1mm2より小さいと、n側コンタクト層から活性層に向かう電子の数が多くなってしまい、スパイクに与える衝撃の回数も多くなることによるVfの変動が顕著に表れるが、本発明の最小構成を備えた素子ではVfの変動を抑制することができる。この特徴は、n電極を基板に設けるSi、SiC、GaNなどの導電性を有する基板を備えた窒化物半導体素子でも、p電極と同一面側にn電極を設けるサファイアなどの絶縁性の基板を備えた窒化物半導体素子でも、適用される。
以上説明した、この最小構成および最小構成を備えた窒化物半導体素子としては、いくつかの実施形態が挙げられる。次に、この最小構成および最小構成を備えた窒化物半導体素子において、好ましい実施形態を順番に詳説する。
(基板1)
基板1としては、C面、R面又はA面を主面とするサファイア、その他、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性の基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、Si、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。また、基板1は最終的に除去することもできる。
バッファ層2としては、例えばAlGaN(GaNも含む)からなる窒化物半導体であり、好ましくはAl混晶比が0.3以下、より好ましくはAl混晶比が0.2以下のバッファ層2が挙げられる。また、バッファ層2は最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。
下地層3としては、その組成は特に問うものではないが、好ましくはAl比率が0.2以下のAlGaN、より好ましくはGaNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。また、下地層3は最終的に除去することもできるし、それ自体省略することもできる。
n側コンタクト層4としては、その組成は特に問うものではないが、好ましくはAl比率が0.2以下のAlGaN、より好ましくはGaNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすい。膜厚は特に問うものではないが、n電極を形成する層であるので1μm以上の膜厚で成長させることが望ましい。
また、本発明において用いられるn電極は、特に限定されず、従来知られている電極等を用いることができ、例えば実施例に記載の電極が挙げられる。
第1のn側層5としては、第2のn側層6〜第4のn側層8と同様に、それぞれ、Al比率が0.2以下のAlGaN、またはIn比率が0.1以下のInGaN、より好ましくはGaNとすると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られやすいので好ましい。また、第1のn側層5〜第4のn側層8はそれぞれが異なる組成でもよいが、同一組成であることが好ましく、より好ましくはGaNとすることができる。特に、第1のn側層と第3のn側層がGaNであることで、その両方が窒化物半導体素子の静電耐圧向上に好適に機能し、また第2のn側層と第4のn側層がGaNであることで、n型不純物を含む層として結晶性のよい膜が得られる。
n側不純物がドープされた第2のn側層6を設けることにより、ウエハ内における平均Vfが大幅に低下するとともにバラツキも軽減させることができる。また駆動初期のVfが低下するLEDチップの数も減少させることができる。また第1のn側層と接していることで、好適に加速された電子の速度を一度低下させることができる。
第3のn側層7を設けることにより、静電耐圧を向上させることができる。第3のn側層7におけるn型不純物濃度は、第2のn側層よりも小さいか、1X1018/cm3以下、好ましくは5X1017/cm3以下、より好ましくは1X1017/cm3以下とすることができる。なお、これらのn型不純物濃度範囲はそれぞれがアンドープを含むものとする。これにより、特にn型不純物濃度が低くなるほど(n型不純物濃度がアンドープに近づくほど)、上記効果がより顕著なものとなる。
n側不純物がドープされた第4のn側層8は、キャリア濃度を十分とさせて発光出力に比較的大きく作用する層であり、また第3の層を設けた本実施の形態において、第3の層が静電耐圧を上げる層として好適に機能することができる。つまり、第3のn側層と接しているので、第3のn側層で再度加速された電子の速度を低下させることができる。この層を形成させないと著しく発光出力が低下する傾向がある。
さらに、第4のn側層8のn型不純物濃度は、第2のn側層6のn型不純物濃度よりも高いことが好ましい。つまり複数の最小構成(本実施の形態では第1と第2のn側層、第3と第4のn側層の2つの最小構成)を持つ場合、n型不純物を含む層は、最小構成のうち、活性層に近い方のn型不純物濃度を高くすることが好ましい。これにより、発光出力および静電耐圧(特に逆方向の静電耐圧)の2つの特性を両立させて得ることができる。
活性層11としては、井戸層を有する単一量子井戸構造(SQW)、又は多重量子井戸構造(MQW)が好ましい。活性層11がMQWの場合、その積層順は特に問わず、井戸層または障壁層から積層することもできるし、同様に井戸層または障壁層で終わることもできる。
p側コンタクト層14としては、その組成は特に問わないが、GaN、Al比率0.2以下のAlGaN、In比率0.2以下のInGaNとすることができ、より好ましくはGaNとするとp電極材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。本発明において用いられるp電極は、特に限定されず、従来知られているITO等を用いた電極や、実施例に記載の電極が挙げられる。
実施の形態2は、実施の形態1で示した最小構成に加えて、第2のn側層よりも活性層側に第3のn側層を備えたもので、第3のn側層が、第2のn側層よりも膜厚が大きく、またn型不純物濃度が第2のn側層よりも小さいことを特徴とする。そしてn側コンタクト層と活性層との間に、第1のn側層と第2のn側層が接して、さらに第2のn側層より活性層側に第3のn側層を備えた構成を最小構成とした積層構造を備えた窒化物半導体素子である。
さらに実施の形態2においても、第4のn側層と活性層との間に第5のn側層を設けてもよい。第5のn側層は、第2のn側層および第4のn側層のn型不純物濃度が、第5のn側層のn型不純物濃度よりも高くなるように設けることが好ましく、さらに第5のn側層のn型不純物濃度が1X1018/cm3以下とすることが好ましい。また第5のn側層の膜厚は、少なくとも第1のn側層および第3のn側層の膜厚よりも小さく、また100nmより小さいことで、第1〜第5のn側層を設けたときの、第1と第3のn側層が静電耐圧特性向上に好適に機能すると共に、第2と第4のn側層が電子の移動速度を低下させる層として、Vfの駆動時間経過に伴う変動を抑制する層として好適に機能する。第5のn側層の膜厚の下限としては、1nmで、1nm以上の膜厚で第1〜第5のn側層を備えた素子として上記効果がより顕著なものとなる。また上限としては100nm以下が好ましく、100nm以下とすることで、第1のn側層と第2のn側層、またさらに第3のn側層と第4のn側層が本発明の効果を十分に発揮できるので好ましい。
また実施の形態2においても、この第1のn側層、第2のn側層、第3のn側層を最小構成とする構造を、n側コンタクト層と活性層との間に、複数設けてもよい。複数設ける場合、静電耐圧は向上し、Vfの変動を抑えた素子が得られるが、構造を多くしすぎると結晶性が悪くなり、発光効率が落ちる傾向になるので、適宜の数の最小構成を設けるとよい。
基板としては、特に限定されるものではなく、半導体層を積層させることができるものであればよい。例えば、積層構造の成長方法に用いる基板、特にエピタキシャル成長用の基板としては、窒化物半導体と異なる材料の異種基板として、C面、R面及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板;窒化物基板として、GaN、AlN等の窒化物半導体基板等が挙げられる。なかでも、サファイア、スピネル基板を用いることが好ましい。さらにこれら基板のうち、窒化物半導体と屈折率が異なる材料については、基板の窒化物半導体成長面が凹凸形状を有することが好ましい。基板と窒化物半導体層との界面が凹凸形状であることで、発光層から出た光が効率よく窒化物半導体素子から出されるようになる。この凹凸は、凹部と凸部をつなぐ斜面が窒化物半導体積層方向に対して傾斜していると、さらに窒化物半導体素子の光取り出し効率が大きくなるので好ましい。
ここで、多層膜としては、少なくとも組成の異なる2種の層を交互に積層させたような周期構造が好ましい。具体的には、Inを含む窒化物半導体層とそれとは異なる組成の層との周期構造、例えば、InxGa1−xN/InyGa1−yN(0≦x<y<1)等が挙げられる。また、組成が傾斜する構造であってもよいし、周期構造又は傾斜構造において不純物濃度を変調させた構造、膜厚を変動させた構造等であってもよい。特に、多層膜は、結晶性を考慮すると、20nm以下の膜厚の層を積層した構造、さらに10nm以下の膜厚の層を積層した構造であることが好ましい。
さらに、コンタクト層を高濃度にドープすることにより、結晶性を改善することができる。コンタクト層は、電極を接続する領域の下方において発光するため、その面内でキャリアを拡散させる層としても機能し得る。また、電極により面内での電流拡散として機能させることで、窒化物半導体における低い移動度のp型キャリアの拡散を補助することができる。さらに、コンタクト層の膜厚を他の層(クラッド層、介在低濃度層)よりも小さくし、他の層よりも高濃度に不純物ドープすることにより、高キャリア濃度の層を形成して、電極からのキャリアの注入を効率的に行うことができる。
下記の積層構造A〜Eは、いずれも成長基板上に形成され、成長基板としてはサファイアが好ましい。
さらに、p型窒化物半導体層の上にInGaN層(30〜100オングストローム、好ましくは50オングストローム)を有してもよい。これにより、このInGaN層が電極と接するp側コンタクト層となる。
[実施例1]
図1に基づいて実施例1について説明する。
(基板1)
サファイア(C面)よりなる基板1をMOVPEの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、基板1上にGaNよりなるバッファ層2を約100オングストロームの膜厚で成長させる。
バッファ層2成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層からなる下地層3を約1.5μmの膜厚で成長させる。
1050℃で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Siを5X1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層を約4μmの膜厚で成長させる。
1050℃で、シランガスのみを止めてアンドープGaN層からなる第1のn側層5を約1500オングストロームの膜厚で成長させる。
1050℃で、シランガスを用いSiを5X1017/cm3ドープしたSiドープGaN層からなる第2のn側層6を約100オングストロームの膜厚で成長させる。
1050℃で、シランガスのみを止めてアンドープGaN層からなる第3のn側層7を約1500オングストロームの膜厚で成長させる。
1050℃で、シランガスを用いSiを1X1019/cm3ドープしたSiドープGaN層からなる第4のn側層8を約300オングストロームの膜厚で成長させる。
アンドープGaNよりなる障壁層を200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.3Ga0.7Nよりなる井戸層を20オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を5層、井戸層4層交互に積層して、総膜厚1080オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層11を成長させる。
1050℃で、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgを1X1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層14を1000オングストロームの膜厚で成長させる。
図2に基づいて実施例2について説明する。第4のn側層8と活性層11との間に、次の第5のn側層9を設ける他は実施例1と同様である。実施例2のLEDは実施例1に比較して、他の特性はそのままに静電耐圧を大幅に向上させることができる。
1050℃で、TMG、アンモニアを用いてアンドープGaN層からなる第5のn側層9を約50オングストロームの膜厚で成長させる。
第5のn側層9は、Al比率が0.2以下のAlGaN、またはIn比率が0.1以下のInGaN、より好ましくはGaNとすると好ましい。また、第1のn側層5〜第5のn側層9はそれぞれが異なる組成でもよいが、同一組成であることが好ましく、より好ましくはGaNとすることができる。
図3に基づいて実施例3について説明する。第5のn側層9と活性層11の間に、次の超格子構造のn側多層膜を設ける他は実施例2と同様である。超格子構造のn側多層膜10を設けることにより、発光出力をさらに向上させることができる。
TMG、アンモニアを用い、アンドープGaN層を約35オングストローム成長させ、続いて温度を下げ、その上にTMG、TMI、アンモニアをアンドープIn0.03Ga0.97Nよりなる第1の窒化物半導体層を約15オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、交互に10層づつ積層し、最後にアンドープGaN層を約35オングストローム成長させた超格子構造よりなるn型多層膜を成長させる。
図4に基づいて実施例4について説明する。活性層11とp側コンタクト層14の間に、次の超格子構造のp側多層膜を設ける他は実施例3と同様である。超格子構造のp側多層膜12を設けることにより、発光出力をさらに向上させることができる。
TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを5X1019/cm3ドープしたAl0.15Ga0.85Nよりなる層を約35オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め代わりにTMIを用いてMgを5X1019/cm3ドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる層を約20オングストロームの膜厚で成長させる。これらの操作を繰り返し、5層ずつ積層した後、最後にMgを5X1019/cm3ドープしたAl0.15Ga0.85Nよりなる層を約35オングストロームの膜厚で成長させて、超格子構造のp側多層膜12を成長させる。
超格子構造のn側多層膜12を構成する単一層の膜厚は、特に限定されないが、100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、より好ましくは50オングストローム以下とする。これにより出力が向上する傾向にある。
図5に基づいて実施例5について説明する。超格子構造のp側多層膜12とp側コンタクト層14の間に、次のp側低ドープ層13を設ける他は実施例4と同様である。p側低ドープ層13を設けることにより、発光出力をさらに向上させることができると共に、静電耐圧をさらに向上させることができる。
1050℃で、TMG、TMA、アンモニアを用いてアンドープAl0.05Ga0.95N層からなるp側低ドープ層13を約2000オングストロームの膜厚で成長させる。
p側低ドープ層13は、GaN、Al比率が0.2以下のAlGaN、またはIn比率が0.1以下のInGaN、より好ましくはAl比率が0.15以下のAlGaNと好ましい。p側低ドープ層13におけるp型不純物濃度は、1X1018/cm3以下、好ましくは5X1017/cm3以下、より好ましくは1X1017/cm3以下、さらに好ましくはアンドープとすることにより、上記効果がより顕著なものとなる。
第1のn側層5、第2のn側層6および第3のn側層7の3層を、実施例1の第2のn側層6と同じSi濃度(5X1017/cm3)のGaNからなる1層とする他は、実施例5と同様である。なお、その膜厚は、実施例1における第1のn側層5、第2のn側層6および第3のn側層7の3層の合計膜厚とほぼ同じである。
第2のn側層6を、実施例1の第1のn側層6と同じアンドープのGaNとし、第1のn側層5、第2のn側層6および第3のn側層7の3層を、アンドープのGaNからなる1層とする他は、実施例5と同様である。なお、その膜厚は、実施例1における第1のn側層5、第2のn側層6および第3のn側層7の3層の合計膜厚とほぼ同じである。
実施例6は、実施例1において、第3のn側層と第4のn側層を省略した素子であり、最小構成の1つとして、以下の第1のn側層と第2のn側層とを備えた窒化物半導体素子である。
1050℃で、シランガスのみを止めてアンドープGaN層からなる第1のn側層5を約1500オングストロームの膜厚で成長させる。
1050℃で、シランガスを用いSiを1X1018/cm3ドープしたSiドープGaN層からなる第2のn側層6を約100オングストロームの膜厚で成長させる。
これによって得られた素子は、第2のn側層をアンドープで成長した(つまり第2のn側層を省略し、第1のn側層を約1600オングストローム成長した)素子と比べて、静電耐圧が高く、またLED駆動時、駆動時間経過によるVfの変動を抑えることができる。
実施例5において、第2のn側層と第3のn側層との間に、InGaN層を100オングストロームの膜厚で設けたところ、静電耐圧が若干低下したが、比較例1より静電耐圧特性に優れた素子が得られる。また比較例2に対してVfの駆動時間経過による変動が抑えられる。
実施例5において、第3のn側層と第4のn側層を次のように成長した他は実施例5と同様にして素子を得る。
第3のn側層7は、アンドープIn0.01Ga0.99N層を約1500オングストロームの膜厚で成長させる。
第4のn側層8は、Siを1X1019/cm3ドープしたSiドープIn0.01Ga0.99N層を約300オングストロームの膜厚で成長させる。
これによって得られた素子は、静電耐圧が実施例5には若干劣るが、比較例1に対して、静電耐圧の高い素子が得られる。また比較例2に対してVfの駆動時間経過による変動が抑えられる。
実施例9は、実施例6に対して、第1のn側層と第2のn側層とをGaNからAl0.15Ga0.85Nに変えたもので、その他は実施例6と同様にして素子を得る。得られた素子は、実施例6に対して、Vfが高くなり、また結晶性の点で劣り、発光効率が低下する。しかしながら、静電耐圧は、実施例6に若干劣る程度で、LED駆動時、駆動時間経過によるVfの変動は実施例6と同様に抑えることができる。
実施例10は、実施例5について、第2のn側層を次のようにして成長する他は実施例5と同様にして素子を得る。
(第2のn側層6)
Siを1X1019/cm3ドープしたSiドープGaN層を約100オングストロームの膜厚で成長させる。
これにより得られた素子は、実施例5と比べて、発光出力が低下し、静電耐圧が低下するが、比較例1と比べて静電耐圧は高く、また比較例2に対してVfの駆動時間経過による変動が抑えられる。
実施例11は、実施例5について、第2のn側層と第4のn側層とを次のようにして成長する他は実施例5と同様にして素子を得る。
(第2のn側層6)
Siを1X1019/cm3ドープしたSiドープGaN層を約100オングストロームの膜厚で成長させる。
(第4のn側層8)
Siを5X1019/cm3ドープしたSiドープGaN層を約300オングストロームの膜厚で成長させる。
これにより得られた素子は、実施例5と比べて、発光出力が低下し、静電耐圧が低下し、また駆動時間経過によるVfの変動も若干起こるが、比較例1と比べて、静電耐圧は高く、また比較例2に対してVfの駆動時間経過による変動が抑えられる。
図12に基いて、実施例12について説明する。
基板1からn側コンタクト層4までは、実施例5と同様にして成長する。
(第1のn側層5)
1050℃で、シランガスのみを止めてアンドープGaN層からなる第1のn側層5を約1500オングストロームの膜厚で成長させる。
(第2のn側層6)
1050℃で、シランガスを用いSiを5X1018/cm3ドープしたSiドープGaN層からなる第2のn側層6を約500オングストロームの膜厚で成長させる。
1050℃で、シランガスのみを止めてアンドープGaN層からなる第3のn側層7を約1500オングストロームの膜厚で成長させる。
アンドープGaNよりなる障壁層を200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.3Ga0.7Nよりなる井戸層を20オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を5層、井戸層4層交互に積層して、総膜厚1080オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層11を成長させる。
1050℃で、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgを1X1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層14を1000オングストロームの膜厚で成長させる。
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウエハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p側層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層14の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、図1に示すようにn側コンタクト層4の表面を露出させる。
実施例13は、実施例12について、第3のn側層7の次に以下の第4のn側層8を成長する他は、実施例12と同様にして、素子を得る。
(第4のn側層8)
Siを1X1019/cm3ドープしたSiドープGaN層を約300オングストロームの膜厚で成長させる。
これによって得られた素子は、実施例12と同様の効果を奏する上に、さらにVfが低下した素子が得られる。
実施例14は、実施例12について、第2のn側層6を次のようにして成長する他は、実施例12と同様にして素子を得る。
(第2のn側層6)
Siを5X1018/cm3ドープしたSiドープIn0.02Ga0.98N層を約500オングストロームの膜厚で成長させる。
これによって得られた素子は、実施例12と同様の効果を奏するが、静電耐圧が若干低下する。
実施例15は、その他の実施例の窒化物半導体素子の断面から見た模式図が図10であるのに対し、図13のような断面から見た模式図にあるように、導電性基板1のp電極側と反対の面にn電極17を設けたものであり、本実施例ではSi基板を用いたものである。基板上の複数の窒化物半導体層およびp電極、n電極の材料は実施例5と同様にして素子を得る。
この素子も実施例5と同様の効果が得られる。
実施例16として、実施例5において、第1のn側層と第2のn側層の接する界面の面積を変えて素子を作製する。本実施例の窒化物半導体素子は、素子をp電極側からみた図が図14となるように作製する。図14は、一実施例における窒化物半導体素子をp電極側から見たときの模式図であり、基板上に、n側窒化物半導体層、活性層、p側窒化物半導体層が順に積層され、p側窒化物半導体層のp側コンタクト層14表面に透光性の全面部15とパッド部16からなるp電極が形成され、パッド部16は窒化物半導体素子の一端面側に3つ設けられると共に、その一端面側から対向する他端面側に向けて電流拡散部を備えている。またn側コンタクト層4の露出面を有し、その露出面にn電極17が形成されると共に、そのn電極は、p電極のパッド部が形成された一端面側と対向した他端面側に3つのパッド部と、p電極の電流拡散部と平行であってp電極のパッド部を有する一端面側に向けて延伸した電流拡散部とを備えている。このような形状の窒化物半導体素子とすることで、p電極(全面部とパッド部と電流拡散部とからなるp電極)とn電極(パッド部と電流拡散部とからなるn電極)との距離を発光面内で均一にできる。
(サンプル1)実施例5の素子で、第1のn側層から活性層、さらにp側コンタクト層までの層のそれぞれの界面の面積を0.36mm2となるように作製する。
(サンプル2)比較例1の素子で、第1のn側層から活性層、さらにp側コンタクト層までの層のそれぞれの界面の面積を0.36mm2となるように作製する。
(サンプル3)実施例5の素子で、第1のn側層から活性層、さらにp側コンタクト層までの層のそれぞれの界面の面積を2.25mm2となるように作製する。
(サンプル4)比較例1の素子で、第1のn側層から活性層、さらにp側コンタクト層までの層のそれぞれの界面の面積を2.25mm2となるように作製する。
実施例17として、実施例5において、n側コンタクト層の活性層側の窒化物半導体層に接合する面とn電極が形成される面との高さを異ならせて作製する。なお本実施例は、第1のn側層から活性層、さらにp側コンタクト層までの層のそれぞれの界面の面積が1mm2以下の0.1mm2の素子を用いる。またp電極側から見た図は図15のように作製する。図15は、一実施例における窒化物半導体素子をp電極側から見たときの模式図であり、基板上にn側窒化物半導体層、活性層、p側窒化物半導体層が順に積層され、p側窒化物半導体層のp側コンタクト層14の表面に透光性の全面部15とパッド部16からなるp電極が形成され、p電極のパッド部16と対向する位置でかつn側コンタクト層4が露出された面にn電極17が形成されている。
(サンプル5)実施例5の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が3.5μmとする。
(サンプル6)比較例1の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が3.5μmとする。
(サンプル7)実施例5の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が2.0μmとする。
(サンプル8)比較例1の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が2.0μmとする。
実施例17と同様の素子でサンプル5〜8の代わりに、次のサンプル9〜12の4種類を、それぞれ以下の違いを設けて作製する。
(サンプル9)実施例5の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が、第1の主面F1から第2の主面F2(n側コンタクト層4が活性層側の窒化物半導体層と接する面)までの距離に対して70%とする。
(サンプル10)比較例1の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が、第1の主面F1から第2の主面F2(n側コンタクト層4が活性層側の窒化物半導体層と接する面)までの距離に対して70%とする。
(サンプル11)実施例5の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が、第1の主面F1から第2の主面F2(n側コンタクト層4が活性層側の窒化物半導体層と接する面)までの距離に対して90%とする。
(サンプル12)比較例1の素子で、n側コンタクト層4の第1の主面F1から第3の主面F3(n電極17が形成された面)までの距離が、第1の主面F1から第2の主面F2(n側コンタクト層4が活性層側の窒化物半導体層と接する面)までの距離に対して90%とする。
2・・・バッファ層、
3・・・下地層、
4、20、31・・・n側コンタクト層、
5・・・第1のn側層、
6・・・第2のn側層、
7・・・第3のn側層、
8・・・第4のn側層、
9・・・第5のn側層、
10・・・超格子構造のn側多層膜、
11、23、34・・・活性層、
12・・・超格子構造のp側多層膜、
13・・・p側低ドープ層、
14・・・p側コンタクト層、
15・・・全面部(p電極)、
16・・・パッド部(p電極)、
17、32・・・n電極、
21・・・アンドープのGaN層、
22・・・InGaN層、
25・・・n型不純物を含む層、
30・・・異種基板、
33・・・アンドープの窒化物半導体層。
Claims (9)
- n電極を有するn側コンタクト層と活性層との間に、該n側コンタクト層側から順に、第1のn側層、第2のn側層、第3のn側層とを少なくとも有する窒化物半導体素子において、
前記第1のn側層と第2のn側層は接しており、
前記第2のn側層は、n型不純物を含み、
前記第1のn側層及び前記第3のn側層はアンドープ層の層であり、
前記第2のn側層のn型不純物濃度が第1のn側層及び第3のn側層のn型不純物濃度よりも高く、
前記第2のn側層は、前記第1のn側層と実質的に組成が同じかバンドギャップエネルギーが同じであり、
第1のn側層の膜厚が1000オングストローム以上3000オングストローム以下であり、前記第2のn側層の膜厚が10オングストローム以上1000オングストローム未満であり、第3のn側層の膜厚が1000オングストロームより厚く5000オングストローム以下であって、
前記第2のn側層の膜厚が、第1のn側層及び第3のn側層の膜厚よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記第1のn側層及び第3のn側層は、実質的に組成が同じかバンドギャップエネルギーが同じであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1のn側層および第2のn側層がGaNからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1乃至第3のn側層がGaNからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第3のn側層と活性層との間に、第3のn側層に接して、第4のn側層を有し、
前記第4のn側層は、n型不純物を含み、
前記第4のn側層は、前記第3のn側層と実質的に組成が同じがバンドギャップエネルギーが同じであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記第4のn側層は、n型不純物を含み、前記第2のn側層のn型不純物濃度以上の濃度であることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第4のn側層と活性層との間に第5のn側層を有し、前記第4のn側層のn型不純物濃度は、前記第5のn型不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項5又は6に記載の窒化物半導体素子。
- 前記第1のn側層の、隣接する層との界面の表面積が、1mm2より小さいことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記n側コンタクト層は、活性層側と反対の第1の主面側に窒化物半導体と異なる基板を有し、さらに活性層側に、隣接する窒化物半導体層との界面をなす第2の主面と、前記第2の主面より基板側にn電極を有する第3の主面とを有し、
第1の主面から第3の主面までの膜厚が、3μm以上または第1の主面から第2の主面までの膜厚に対して80%以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
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