JP5533791B2

JP5533791B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP5533791B2
Application number: JP2011136197A
Authority: JP
Inventors: 尚幸中田; 泰久牛田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-06-20
Also published as: US8945965B2; CN102842657B; JP2013004846A; CN102842657A; US20120322189A1

Description

本発明は、光取り出し効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。

III 族窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させるために、光出射面に凹凸形状を設ける手法が提案されている。

凹凸形状を設ける方法として、極性反転層を利用する方法が知られている。III 族窒化物半導体は、通常＋ｃ軸方向に成長してIII 族元素極性となるが、極性反転層は、少なくとも一部領域にIII 族元素極性とは反対の極性である窒素極性の領域を含む層である。この極性反転層は、結晶中に高濃度にＭｇをドープすることにより形成することができる（たとえば特許文献３参照）。

特許文献１では、ｐクラッド層上にｐ−ＧａＮ層を形成し、ｐ−ＧａＮ層上に極性反転層を形成し、極性反転層をウェットエッチングすることにより、窒素極性の領域をエッチングして、凹凸形状を形成している。

特許文献２では、III 族元素極性のIII 族窒化物半導体からなるｐ型の第１半導体層上に極性反転層を形成し、極性反転層上に窒素極性のIII 族窒化物半導体からなるｐ型の第２半導体層を形成し、第２半導体層表面をウェットエッチングすることで凹凸形状を形成している。また、第１半導体層は、エッチングストッパとして機能し、過剰にエッチングしてしまうことを防止することが記載されている。

他にも、加工によって凹凸形状を設ける方法や、オフ角の大きな基板を用いてステップ成長による段差を利用する方法が知られている。

特開２００９−４９３９５特開２０１０−６２４９３特開２００３−１０１１４９

しかし、特許文献１、２の方法では、いずれも極性反転層を形成する工程と、ウェットエッチングする工程とが少なくとも必要となる。そのため製造工程が多工程で複雑となってしまい、製造コストの増加につながってしまう。

また、加工によって凹凸形状を設ける方法では、結晶成長後の工程が増えて製造コストの増加につながる他、III 族窒化物半導体の硬度が高いために結晶にダメージが残ったり、特殊なエッチングが必要となる。また、加工のため最表面であるｐコンタクト層を厚くする必要があるが、ｐ型のIII 族窒化物半導体を良好な結晶性を維持しつつ厚く成長させることは困難である。

また、ステップ成長を利用する方法では、基板に積層させるすべての層に凹凸ができるため、界面の急峻性が損なわれ、発光効率が低下してしまうおそれがある。また、基板のオフ角を大きくすると、結晶性が大きく損なわれてしまうという問題もある。

そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体発光素子の光出射面に、簡易に凹凸形状を形成することである。

第１の発明は、ｐクラッド層とｐコンタクト層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、ｐクラッド層は、圧力を５ｋＰａ〜７０ｋＰａとして、Ｍｇを、ドープ量１．８×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上、１×１０ ²¹ ／ｃｍ ³ 以下にドープして結晶成長させることにより、結晶の少なくとも一部の極性を反転させて表面に六角柱状の凹凸形状を有するように形成し、ｐコンタクト層は、圧力を常圧として、ｐクラッド層上に凹凸形状に沿って形成して表面に六角柱状の凹凸形状を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。ｎ型不純物にはＳｉ、ｐ型不純物にはＭｇが通常用いられる。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。

また、III 族窒化物半導体の極性は、結晶のｃ軸に垂直な面が＋ｃ面となるIII 族元素極性と、−ｃ面となる窒素極性があり、本発明に言う極性の反転とは、III 族元素極性である結晶の少なくとも一部（多数の微小領域）においてＮ極性の領域が生じていることをいう。

ｐクラッド層のＭｇ濃度は、１．２×１０²⁰／ｃｍ³以上とすることが望ましい。凸部の密度が高くなり、凹凸の高低差も大きくなるため、より光取り出し効率の向上を図ることができるからである。また、ｐクラッド層のＭｇ濃度は１×１０²¹／ｃｍ³以下とすることが望ましい。これよりも大きいとｐクラッド層の結晶性が悪化してしまうからである。さらに望ましいｐクラッド層のＭｇ濃度は、１．２〜５×１０²⁰／ｃｍ³である。なお、Ｍｇ濃度は、凹凸形状とならず平坦な膜となる場合のＭｇドープ量とＭｇ原料ガス供給量との比例関係をあらかじめ求め、Ｍｇ原料ガス供給量の比例換算で特定した。

ｐクラッド層の成長圧力は、１〜１００ｋＰａであることが望ましい。この範囲であれば凸部の密度が高く、凹凸の深さが大きな凹凸形状を形成することができ、光取り出し効率の向上を図ることができる。さらに望ましくは５〜７０ｋＰａである。

ｐクラッド層の材料は、発光層よりもバンドギャップの大きな材料であれば任意であるが、ＡｌＧａＮとすることが望ましい。また、ｐクラッド層は単層だけではなく複数の層によって構成してもよい。また、ｐコンタクト層も単層に限らず、複数の層によって構成されていてもよい。

第２の発明は、第１の発明において、ｐクラッド層のＭｇドープ量は、１．８×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上、５×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ｐクラッド層のＭｇドープ量は、１．８×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上、２．４×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
。
第４の発明は、第１の発明から第２の発明において、ｐクラッド層は、ＡｌＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明によると、光取り出し効率を向上させるための凹凸形状を容易に形成することができる。そのため、製造コストの低減を図ることができる。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程を示した図。ｐコンタクト層１６表面を撮影したＡＦＭ像。ｐクラッド層１５のＭｇ濃度と光出力との関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有する。そのサファイア基板１０上に、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介して、ｎ−ＧａＮからなる厚さ４μｍのｎ型コンタクト層１１、厚さ３００ｎｍのｉ−ＧａＮと厚さ３０ｎｍのｎ−ＧａＮからなる静電耐圧層１２、ｉ−ＩｎＧａＮとｉ−ＧａＮとｎ−ＧａＮを１組として１５組積層させた多重層である厚さ約６４ｎｍのｎクラッド層１３、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層と厚さ４ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが交互に８組積層されたＭＱＷ構造の発光層１４、が順に形成されている。発光層１４上には、ｐ−ＡｌＧａＮからなる厚さ１２ｎｍのｐクラッド層１５、ｐ−ＧａＮからなる厚さ７２ｎｍのｐコンタクト層１６が順に形成されている。ｐコンタクト層１６のＭｇ濃度は、８×１０¹⁹／ｃｍ³である。ｐコンタクト層１６表面の一部領域には、その表面からｎコンタクト層１１に達する深さの溝が形成されていて、その溝の底面に露出したｎコンタクト層１１表面にはｎ電極１９が形成されている。また、ｐコンタクト層１６表面の溝が形成されていない領域にはＩＴＯからなる透明電極１７が設けられ、透明電極１７上にはｐ電極１８が設けられている。

ここで、ｐクラッド層１５の厚さは、後述のように凹凸形状の形成によって成長形態が変化するため、平坦な膜が得られた場合のものである。

ｐクラッド層１５の表面は、六角柱状の凹凸が多数見られる凹凸形状を有している。ｐコンタクト層１６は、この凹凸形状に沿って膜状に形成されており、ｐコンタクト層１６の表面もまた、凹凸形状を有している。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、この凹凸形状により光取り出し効率が向上されている。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について説明する。

まず、ｃ面を主面とするサファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を形成し、そのバッファ層を介してｎコンタクト層１１、静電耐圧層１２、ｎクラッド層１３、発光層１４を順に形成する（図２（ａ））。キャリアガスには水素と窒素を用い、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｎ型ドーパントガスにはＳｉＨ₄（シラン）を用いる。

次に、発光層１４上に、圧力は３０ｋＰａ、温度８５０℃としてＭＯＣＶＤ法によってｐ−ＡｌＧａＮからなるｐクラッド層１５を形成する（図２（ｂ））。Ｍｇ濃度は１．５×１０²⁰／ｃｍ³とする。キャリアガス、原料ガスは前述のものと同様であり、ｐ型ドーパントガスにはビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。これにより、III 族元素極性の結晶に窒素極性の領域が多数生じ、ｐクラッド層１５の表面は六角柱状の凹凸形状となる。過大なＭｇドープによる極性反転層の形成と、減圧成長によるＡｌの結晶取り込みのよさが、このような凹凸形状の形成要因であると考えられる。

なお、ｐクラッド層１５表面に上記のような凹凸形状を形成するために、圧力を上記値とする必要はなく、圧力は常圧よりも低い圧力であればよい。より望ましい圧力の範囲は、１〜１００ｋＰａ、さらに望ましくは５〜７０ｋＰａである。また、Ｍｇ濃度は１×１０²¹／ｃｍ³以下とするのが望ましい。Ｍｇ濃度をこれ以上とすると、結晶性が悪化し望ましくない。ｐクラッド層１５のより望ましいＭｇ濃度の範囲は、１〜１０×１０²⁰／ｃｍ³であり、さらに望ましくは１．２〜５×１０²⁰／ｃｍ³である。

次に、ｐクラッド層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によって凹凸形状に沿って膜状にＧａＮからなるｐコンタクト層１６を形成する（図２（ｃ））。圧力は常圧とし、Ｍｇ濃度は８×１０¹⁹／ｃｍ³とする。キャリアガス、原料ガス、ドーパントガスはｐクラッド層１５の形成時と同様である。これにより、ｐクラッド層１５の凹凸形状を残したまま、ｐコンタクト層１６が形成される。

次に、ｐコンタクト層１６の一部領域に透明電極１７を形成し、ｐコンタクト層１６表面の透明電極１７を形成していない領域に、ｎコンタクト層１６に達する深さの溝を形成し、その溝の底面にｎ電極１９、透明電極１７上にｐ電極１８を形成する。以上により図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、極性反転層を利用して光取り出し効率向上のための凹凸形状を形成しているが、従来のような、ウェットエッチングなどの後工程を必要とすることがない。また、凹凸形状は、Ｍｇ原料ガスの供給量のみを変更することによって形成している。そのため、製造工程が簡略で容易に凹凸形状を形成することができ、製造コストを低減することができる。

図３は、ｐコンタクト層１６表面を撮影したＡＦＭ像である。図３（ａ）はｐクラッド層１５のＭｇ濃度を０．９×１０²⁰／ｃｍ³、図３（ｂ）は１．２×１０²⁰／ｃｍ³、図３（ｃ）は１．５×１０²⁰／ｃｍ³、図３（ｄ）は１．８×１０²⁰／ｃｍ³、図３（ｅ）は２．１×１０²⁰／ｃｍ³、図３（ｆ）は２．４×１０²⁰／ｃｍ³とした場合である。いずれも２０×２０μｍの範囲を示している。これらＭｇ濃度は、ｐクラッド層が平坦な膜となる場合のＭｇドープ量とＭｇ原料ガス供給量との比例関係を求め、Ｍｇ原料ガス供給量から比例換算することで特定したものである。図３のように、ｐクラッド層１５のＭｇ濃度が０．９×１０²⁰／ｃｍ³では、その表面は平坦であるが、Ｍｇ供給量が増加するにしたがって表面平坦性が悪化し、凹凸の深さもより深くなっていくことがわかる。また、図３（ｃ）〜（ｆ）の場合は、図３（ａ）、（ｂ）に比べて凹凸の密度が高くなっていることがわかる。また、Ｍｇ供給量が増加するにしたがって、凹凸の六角柱状がよりはっきりとしていくことがわかる。光取り出し効率の向上を図るためには、凹凸の密度が高く、凹凸の深さが深いことが望ましいが、図３を見ると、ｐクラッド層１５のＭｇ濃度が１．２×１０²⁰／ｃｍ³以上であればよいことが推察される。

図４は、ｐクラッド層１５のＭｇ濃度と光出力の関係を示した図である。光出力は基板垂直方向におけるものである。図４のように、Ｍｇ濃度が増大するにつれて光出力が向上していることがわかる。特に、Ｍｇ濃度が１．８×１０²⁰／ｃｍ³以上では、Ｍｇ濃度を０．９×１０²⁰／ｃｍ³とした場合（ｐクラッド層１５表面が平坦な場合）に比べておよそ２０％光出力を向上することができている。

また、ｐクラッド層１５のＭｇ濃度を変化させた場合の順方向電圧について調べたところ、大きな変化は見られなかった。この結果から、Ｍｇ濃度を増加させて凹凸の深さが深くなっていっても、ｐクラッド層１５はすべての領域にわたって形成されており、発光層１４上にｐクラッド層１５の形成されていない領域はないものと考えられる。

なお、実施例１ではｐクラッド層１５としてＡｌＧａＮを用いたが、これに限るものではなく、発光層１４よりもバンドギャップの大きいIII 族窒化物半導体であればよい。また、ｐクラッド層１５を単層ではなく複数の層により構成してもよい。また、ｐコンタクト層１６についても、凹凸形状に沿って膜状に形成するのであれば、複数の層により構成してもよい。

また、本発明は、ｐクラッド層１５およびｐコンタクト層１６の製造工程に特徴を有するものであり、他の層については従来知られた構造、製造工程を採用することが可能である。たとえば、ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成したり、ｐコンタクト層１６をＭｇ濃度の異なる複数の層で構成したりしてもよい。また、サファイア基板１０以外に、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮなどを基板として用いてもよい。また、基板にはストライプ状、ドット状などの凹凸加工が施されていてもよい。

本発明により製造されるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１２：静電耐圧層
１３：ｎクラッド層
１４：発光層
１５：ｐクラッド層
１６：ｐコンタクト層
１７：透明電極
１８：ｐ電極
１９：ｎ電極

Claims

ｐクラッド層とｐコンタクト層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐクラッド層は、圧力を５ｋＰａ〜７０ｋＰａとして、Ｍｇを、ドープ量１．８×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上、１×１０ ²¹ ／ｃｍ ³ 以下にドープして結晶成長させることにより、結晶の少なくとも一部の極性を反転させて表面に六角柱状の凹凸形状を有するように形成し、
前記ｐコンタクト層は、圧力を常圧として、前記ｐクラッド層上に前記凹凸形状に沿って形成して表面に六角柱状の凹凸形状を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記ｐクラッド層のＭｇドープ量は、１．８×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上、５×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記ｐクラッド層のＭｇドープ量は、１．８×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以上、２．４×１０ ²⁰ ／ｃｍ ³ 以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記ｐクラッド層は、ＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。