JP5540834B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、内部電界が０となる面、すなわち、ｃ面に対して９０°を成すｍ面、ａ面や、ｃ面に対して約６０°を成す面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子に関するものである。
従来のIII 族窒化物半導体発光素子は、III 族窒化物半導体のｃ面を用いて構成されている。そのため、結晶内に結晶構造の歪みに起因したピエゾ分極による内部電界が生じ、発光効率の低下や結晶性の低下などの問題を生じさせていた。そこで近年、ｍ面やａ面などの内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子が検討されている。このようなｍ面やａ面などを主面とするIII 族窒化物半導体発光素子は、発光する光が特定方向に偏光しているため、液晶パネルのバックライトなどに特に有用である。
特許文献１には、無極性面または半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子が示されており、ＭＱＷ構造である発光層とｐコンタクト層との間に電子ブロック層を設けることが示されている。また、電子ブロック層は、厚さ２８ｎｍのＭｇドープＡｌＧａＮであることが示されている。この電子ブロック層は、ｐ型層側に電子が流れてしまうのを防止するためのものであり、発光層への電子の注入効率を向上させ、発光効率を向上させることができる。
また、特許文献２には、凹凸加工が施されたサファイア基板を成長基板として用いることで、任意の面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成する方法が示されている。
しかし、内部電界が０となる面はＩｎの取り込みが悪いため、内部電界が０の面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子において発光効率の向上に最適な構成の条件は、従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子において発光効率の向上に最適な条件と異なっている。これは、発光層上に形成される電子ブロック層についても同様であるが、内部電界が０の面を主面とする場合にどのような電子ブロック層の構造が最適であるかは従来くわしく検討されてこなかった。
そこで本発明の目的は、内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子において、電子ブロック層の構造を最適化して発光効率の向上を図ることである。
第１の発明は、III 族窒化物半導体からなるｎコンタクト層、発光層、電子ブロック層、ｐコンタクト層が順に積層された積層構造を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、一方の表面に、サファイアのｍ軸方向に伸びたストライプ状の凹部の底面及び側面、凹部以外のサファイア基板のストライプ状の表面である上面とからなる凹凸構造が形成されたａ面を主面とするサファイア基板と、サファイア基板の凹凸構造の底面、側面、及び、上面に沿って形成されたＡｌＮ薄膜と、を有し、積層構造は、サファイア基板のＡｌＮ薄膜を有する凹凸構造が形成さされた側の表面上に位置し、ｎコンタクト層、発光層、電子ブロック層、及びｐコンタクト層のサファイア基板の主面に平行な面は、ｍ面であり、電子ブロック層は、厚さ２〜８ｎｍ、Ａｌ組成比２０〜３０％のＭｇがドープされたＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、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。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。
ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面（以下、非極性面）とは、たとえば、III 族窒化物半導体のｃ面に対して９０°を成す無極性面（たとえばｍ面やａ面）や、ｃ面に対して約６０°を成す半極性面（たとえば（１１−２２）面など）に対して５°以内の角度を成した面である。最も望ましいのは内部電界が０となる面であり、ｍ面やａ面、ｃ面に対して約６０°を成す面である。なお、ミラー指数において負の方向は本来、数字の上にバーを付けて表記するが、本明細書では数字の左に負号−を付けて表記するものとする。内部電界の強度をｃ面の場合の内部電界強度に対して１０％以下とするのは、この範囲であれば、実質的に、発光効率を低下させることがなく、また長波長側への波長シフトをなくすることができるからである。
発光効率をさらに向上させるために、電子ブロック層のＭｇ濃度、Ａｌ組成比、厚さは、次に示す範囲であることがより望ましい。電子ブロック層のＭｇ濃度は、１×１０19〜１×１０20ｃｍ-3であることが望ましい。また、電子ブロック層のＡｌ組成比は２０〜３０％であることがより望ましい。また、電子ブロック層の厚さは４〜６ｎｍであることが最も望ましい。
ｎコンタクト層およびｐコンタクト層は単層であってもよいが、複数の層で構成されていてもよい。また、ｎコンタクト層と発光層との間にはｎクラッド層を設けてもよく、さらにｎコンタクト層とｎクラッド層との間にＥＳＤ層を設けて耐圧特性の向上を図ってもよい。また、電子ブロック層とｐコンタクト層との間にｐクラッド層を設けてもよい。これらｎクラッド層、ＥＳＤ層、ｐクラッド層の構造は、従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子で採用されていた構造としてよい。
また、本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、ｐコンタクト層表面の一部領域をｎコンタクト層が露出するまでエッチングし、その露出したｎコンタクト層にｎ電極を設けた、ｐ電極とｎ電極が同一面側となる構成の発光素子であってもよいし、成長基板として導電性基板を用いる、または後に成長基板を除去するなどしてｐ電極に素子面に垂直な方向において対向するようにｎ電極を設け、素子面に垂直な方向に導通を取る発光素子であってもよい。
第２の発明は、第１の発明において、電子ブロック層は、厚さ４〜６ｎｍであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面は、ｍ面、ａ面またはｃ面に対して６０°の角度を成す面に対し、それぞれ５°以内の角度を成す面とすることができる。
本発明のように電子ブロック層を構成することで、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
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の発光素子１００の構成を示した図である。図１のように、発光素子１００は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上に形成されたｎ−ＧａＮからなるｎコンタクト層１１と、ｎコンタクト層１１上に形成されたＭＱＷ構造である発光層１２と、発光層１２上に形成された電子ブロック層１３と、電子ブロック層１３上に形成されたｐコンタクト層１４と、ｐ電極１５、ｎ電極１６と、で構成されている。サファイア基板１０は、ａ面を主面とし、サファイア基板１０上に形成されるIII 族窒化物半導体からなる積層構造２０（ｎコンタクト層１１、発光層１２、電子ブロック層１３、ｐコンタクト層１４）は、ｍ面を主面とする。
サファイア基板１０は、ａ面を主面とする基板である。サファイア基板１０の一方の面には複数のストライプ状の凹部１７が設けられている。凹部１７の底面はサファイア基板１０の主面に平行な面であり、凹部１７の長手方向に垂直な方向における断面は矩形あるいは台形状である。また、凹部１７の長手方向は、サファイア基板１０のｍ軸方向である。
ｎコンタクト層１１は、Ｓｉ濃度２×１０19〜２×１０20ｃｍ-3、厚さ３〜８μｍのｎ−ＧａＮからなる。ｎコンタクト層１１は、Ｓｉ濃度の異なる複数の層で構成されていてもよいし、Ｓｉ濃度が連続的に変化するような層であってもよい。
発光層１２は、ノンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とを交互に繰り返し３回積層させたＭＱＷ構造である。
電子ブロック層１３は、厚さ２〜８ｎｍ、Ａｌ組成比２０〜３０％、Ｍｇ濃度６〜８×１０19ｃｍ-3のＡｌＧａＮからなる。厚さが２ｎｍ未満では、電子がｐコンタクト層１４側へと流れてしまうのを防止する効果が弱く、発光効率を低下させてしまうため望ましくない。また、厚さが８ｎｍより大きいと、結晶品質が劣化するため望ましくない。
従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子では、内部電界（ピエゾ電界）の影響が大きいため、電子ブロック層を十分に厚くしないとｐ型層側に電子が流れてしまうのを十分に防止することができず、また、ｐ型層からの歪みを低減して内部電界の影響を小さくするためにも電子ブロック層を厚くする必要があった。しかし、実施例１の発光素子１００のようにｍ面を主面とする場合には、内部電界の影響が小さいために必ずしも電子ブロック層１２を厚くする必要がなく、上記のように厚さ２〜８ｎｍという、従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子における電子ブロック層とは異なる厚さ範囲が発光効率の向上に適した厚さとなっている。
ｐコンタクト層１４は、Ｍｇ濃度１×１０19〜１×１０20ｃｍ-3、厚さ４０〜１００ｎｍのｐ−ＧａＮからなる。ｐコンタクト層１４は、Ｍｇ濃度の異なる複数の層で構成されていてもよく、Ｍｇ濃度が発光層１２から遠ざかるにつれて連続的、段階的にＭｇ濃度が高くなるような構成であってもよい。
なお、ｎコンタクト層１１と発光層１２との間にｎクラッド層を有していてもよいし、電子ブロック層１３とｐコンタクト層との間にｐクラッド層を有していてもよい。さらに、ｎコンタクト層とｎクラッド層との間にＥＳＤ層を設けて静電耐圧特性を高めるようにしてもよい。
ｐ電極１５は、フェイスアップ型とする場合には、たとえば、ｐコンタクト層１４上のほぼ全面に形成されたＩＴＯなどの透明電極と、透明電極上に形成されるｐパッド電極とからなる構造である。フリップチップ型とする場合には、ｐコンタクト層１４上のほぼ全面に形成されたＡｇ合金などの高反射な金属膜である。
ｐコンタクト層１４表面の一部領域には、ｎコンタクト層１４に達する深さの溝が形成されており、その溝の底面に露出したｎコンタクト層１４上にｎ電極１６が形成されている。ｎ電極１６の材料は、III 族窒化物半導体のｍ面に対して低抵抗にコンタクトをとることができる材料であればよく、たとえばＴｉ／Ａｌなどである。
以上のように、実施例１のｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子１００では、電子ブロック層１３を上記のように構成しているため、発光効率が向上している。発光効率のさらなる向上のためには、電子ブロック層１３の厚さ、Ａｌ組成比、Ｍｇ濃度は次に示す範囲とするのがより望ましい。電子ブロック層１３の厚さは、４〜６ｎｍとすることが望ましく、５ｎｍとすることが最も望ましい。Ａｌ組成比は、１５〜３５％とすることが望ましく２０〜３０％とすることがより望ましい。また、Ｍｇ濃度は、３×１０19〜２×１０20ｃｍ-3とすることがより望ましい。
次に、実施例１の発光素子１００の製造工程について説明する。
まず、ａ面サファイア基板１０の一方の面をドライエッチングして、複数のストライプ状の凹部１７を設ける。ストライプの方向はサファイア基板１０のｍ軸方向である。凹部１７底面はサファイア基板１０の表面に平行であり、その凹部１７の断面形状は矩形あるいは台形状である（図２（ａ））。
次に、サファイア基板１０を水素雰囲気下で加熱し、サーマルクリーニングを行う。これにより、凹部１７の形成によって生じたエッチングダメージを回復させるとともに、サファイア基板１０表面の不純物や酸化物を除去する。
次に、サファイア基板１０を３００〜４２０℃に降温したのち、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を供給し、サファイア基板１０の露出した面をＡｌで終端させてＡｌ薄膜を形成する。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。次にＴＭＡの供給を停止してキャリアガスとアンモニアガスを供給し、サファイア基板１０を１０１０℃まで昇温する。これにより、サファイア基板１０にＡｌＮ薄膜１８を形成する（図２（ｂ））。このＡｌＮ薄膜１８は、バッファ層として機能し、凹部１７の側面１７ａからのＧａＮの結晶成長を促進し、他の面（凹部１７底面や、エッチングされなかったサファイア基板１０表面）からのＧａＮの結晶成長を抑制する働きをする。
次に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ−ＧａＮを結晶成長させる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、窒素源としてアンモニア、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ｎ型ドーパントガスとしてシランを用いた。成長初期において、凹部１７の側面１７ａからＡｌＮ薄膜１８を介して成長し、他の面からの成長は抑制される。ｎ−ＧａＮはサファイア基板１０の主面、すなわちａ面に平行で、かつ凹部１７の長手方向（サファイア基板１０のｍ軸方向）をｃ軸方向として結晶成長する。結晶成長が進むと、各凹部１７の側面１７ａから成長したｎ−ＧａＮが合体し、次第にサファイア基板１０上全体を覆っていき、最終的にサファイア基板１０上にはｎ−ＧａＮからなる平坦なｎコンタクト層１１が形成される（図２（ｃ））。このｎコンタクト層１１は、サファイア基板１０の主面がａ面で、凹部１７の長手方向がサファイア基板１０のｍ軸方向であることから、その主面はｍ面である。
なお、凹部１７側面１７ａのうち、一方の側面をＳｉＯ2 などのマスクで覆ったのちにｎ−ＧａＮを結晶成長させることが望ましい。ＧａＮの極性が揃い、ｎコンタクト層１１の結晶性をより向上させることができるからである。
次に、ｎコンタクト層１１上に、ＭＯＣＶＤ法によってＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とを交互に繰り返し３回積層させて発光層１２を形成する（図２（ｄ））。Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、キャリアガスや、Ｇａ源、Ｎ源ガスはｎコンタクト層１１の形成時と同様である。また、成長温度は７００〜８００℃とする。従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子における発光層形成時の成長温度よりも低いが、これは、III 族窒化物半導体のｍ面がｃ面に比べてＩｎを取り込みにくいためであり、成長温度を下げることで結晶性の悪化を抑制している。
次に、発光層１２上に、ＭＯＣＶＤ法によってＭｇ濃度６〜８×１０19ｃｍ-3、Ａｌ組成比２０〜３０％のＡｌＧａＮからなる厚さ２〜８ｎｍの電子ブロック層１３を形成する（図２（ｅ））。Ａｌ源にはＴＭＡ、ｐ型ドーパント源としてＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、キャリアガスや、Ｇａ源、Ｎ源ガスはｎコンタクト層１１の形成時と同様である。また、成長温度は８５０〜９５０℃とした。
次に、電子ブロック層１３上に、ＭＯＣＶＤ法によってＭｇ濃度１×１０19〜１×１０20ｃｍ-3のＧａＮからなるｐコンタクト層１４を形成する（図２（ｆ））。キャリアガス、Ｇａ源、Ｎ源ガス、ドーパントガスは電子ブロック層１３の形成時と同様である。また、成長温度は９００〜９５０℃とした。発光層１２の成長温度を従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子における発光層の成長温度よりも低温で成長させているため、これに合わせてｐコンタクト層１４の成長温度も低くすることで、発光層１２へのダメージを低減し、発光効率の向上を図っている。
次に、ｐコンタクト層１４上の所定の領域にリフトオフ法を用いてｐ電極１５を形成する。そして、ｐコンタクト層１４上の一部領域をドライエッチングしてｎコンタクト層１１を露出させ、その露出したｎコンタクト層１１に接するｎ電極１６をリフトオフ法によって形成する。以上によって図１に示す実施例１の発光素子１００が形成される。
図３は、発光素子１００を２０ｍＡで駆動したときの電子ブロック層１３の厚さと発光強度との関係を示したグラフである。電子ブロック層１３のＡｌ組成比は２５％、成長温度は９１０℃とした場合である。縦軸の発光強度は、電子ブロック層１３の厚さを１２０Åとした場合の発光強度を１として規格化した値である。図３のように、電子ブロック層１３の厚さを５０Å、８０Åとした場合には１．０５以上の発光強度が得られていることがわかる。また、電子ブロック層１３の厚さを０とした場合、つまり電子ブロック層１３を設けない場合、発光強度は０．９９となり、発光強度が低下してしまうことがわかる。したがって、図３から、電子ブロック層１３の厚さは２０〜８０Åの範囲が望ましいと推察される。特に５０Åとするのが最も望ましいと考えられる。
図４は、発光素子１００を２０ｍＡで駆動したときのｐコンタクト層１４の成長温度と発光強度との関係を示したグラフである。発光強度は、１０００℃でｐコンタクト層１４を成長させた場合の発光強度を１として規格化した値である。図４のように、成長温度が低いほど発光効率が向上していることがわかり、９００°程度で成長させるのが最も望ましいことがわかる。これは、従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子のｐコンタクト層を形成するときの温度よりも５０℃以上低い温度である。このようにｐコンタクト層１４の成長温度を下げることで発光効率を向上させることができるのは、III 族窒化物半導体のｍ面はＩｎを取り込みにくいため、発光層１２を従来のｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の発光層の場合よりも低温で成長させる必要があるためと考えられる。そして、発光層１２を低温で成長させているため、これに合わせてｐコンタクト層１４の成長温度も下げることにより、発光層１２へのダメージが低減され、発光効率の大幅な向上が図れたものと考えられる。
なお、III 族窒化物半導体発光素子の構成は実施例に限るものではない。たとえば、レーザーリフトオフなどの方法で成長基板を除去し、成長基板の除去により露出するｎ層表面に電極を設けて縦方向に導通を取る構造としてもよい。
また、実施例では成長基板として凹凸加工を施したサファイア基板を用いることで、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を成長させているが、成長基板としてｍ面ＧａＮ基板を用いてもよい。
また、実施例１は、凹凸パターンを形成したａ面サファイア基板を成長基板として用いてｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子を製造する方法であったが、本発明はこれに限るものではない。凹凸パターンを形成したサファイア基板を成長基板として用いて、他の内部電界が０となる面、たとえばａ面などのｃ面に対して９０°を成す面や、（１１−２２）面などのｃ面に対して約６０°を成す面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子を製造する方法に対して適用することができる。これらｍ面、ａ面、（１１−２２）面に対し、５°以内の角度を成す面であってもよい。さらに、必ずしも内部電界０となる面である必要はなく、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面であってもよい。
本発明によるIII 族窒化物半導体発光素子は、表示装置や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：発光層
１３：電子ブロック層
１４：ｐコンタクト層
１５：ｐ電極
１６：ｎ電極
１８：ＡｌＮ薄膜
１１：ｎコンタクト層
１２：発光層
１３：電子ブロック層
１４：ｐコンタクト層
１５：ｐ電極
１６：ｎ電極
１８：ＡｌＮ薄膜
Claims (2)
- III 族窒化物半導体からなるｎコンタクト層、発光層、電子ブロック層、ｐコンタクト層が順に積層された積層構造を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
一方の表面に、サファイアのｍ軸方向に伸びたストライプ状の凹部の底面及び側面、凹部以外のサファイア基板のストライプ状の表面である上面とからなる凹凸構造が形成されたａ面を主面とするサファイア基板と、
前記サファイア基板の前記凹凸構造の前記底面、前記側面、及び、前記上面に沿って形成されたＡｌＮ薄膜と、を有し、
前記積層構造は、前記サファイア基板の前記ＡｌＮ薄膜を有する前記凹凸構造が形成さされた側の表面上に位置し、
前記ｎコンタクト層、前記発光層、前記電子ブロック層、及び前記ｐコンタクト層の前記サファイア基板の前記主面に平行な面は、ｍ面であり、
前記電子ブロック層は、厚さ２〜８ｎｍ、Ａｌ組成比２０〜３０％のＭｇがドープされたＡｌＧａＮからなる、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層は、厚さ４〜６ｎｍ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。
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