JP5758293B2 - 窒化物半導体発光ダイオード - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、サファイア基板上に成長させた窒化物ガリウム系化合物半導体層の表面に部分的に保護膜を設け、その上に窒化物半導体を選択成長させ、窒化物半導体層中の転位密度を大巾に低減した後、200〜900℃で成長された第2のバッファ層を成長して面内の結晶性を均一にし、その上に結晶性の良い窒化物半導体から成るレーザダイオードを形成することが開示されている。
前記基板と前記活性層の間に中間層(=転位発生層)が形成され、前記中間層を起点として前記第1導電型窒化物半導体層内を上方に進行する転位が発生しており、前記中間層で発生した転位の少なくとも一部が前記活性層に到達し、前記活性層の発光領域に分布していることを特徴とする。
前記基板と前記活性層の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層が形成されており、
前記中間層は、前記基板の主面に垂直な断面における形状が島状であることを特徴とする。
図1は、本件発明の実施の形態1における窒化物半導体発光ダイオード1を示す模式断面図である。窒化物半導体から成る基板10の上に、n型窒化物半導体層28(=第1導電型窒化物半導体層)と、活性層32と、p型窒化物半導体層34(=第2導電型窒化物半導体層)とから成るダブルへテロ構造の半導体層が形成されている。p型窒化物半導体層34と活性層32の一部を除去して露出したn型窒化物半導体層28の表面に外部と通電するためのn側電極40が形成されている。また、p型窒化物半導体層34とオーミック接触をとるためにp型窒化物半導体層34のほぼ全面に透光性であるp側電極36が形成され、さらにp側電極36の上にp側電極36の一部を覆ってp側パッド電極38が形成されている。
(中間層30)
中間層30の組成は、特に限定されないが、窒化物半導体層であることが好ましい。中間層30を窒化物半導体層とすれば、発光ダイオードを構成する窒化物半導体の積層構造に余計な不純物を導入しないで済むため好ましい。窒化物半導体の中でも、Alを含んだ窒化物半導体が好ましく、より好ましくはAlxGa1−xN(0<x≦1)、さらに好ましくはAlxGa1−xN(0<x<1)が望ましい。Alを含む窒化物半導体、特にAlGaNを中間層30として用いれば、転位密度を制御し易いため好ましい。また、中間層30を周囲の窒化物半導体層と異なる格子定数の材料とすると転位を発生させ易い。
基板10は、窒化物半導体から成る半導体基板であれば、どのようなものでも良い。基板10が窒化物半導体から成ることにより、図10A及び図10Bを用いて説明した通り、基板の下面側又は半導体層の上面側から光を取り出す面発光タイプの発光ダイオードにおける多重反射を抑制し、光取り出し効率を大巾に向上できるという効果が得られる。また、図10Bに示されるように、窒化物半導体から成る基板10の上に窒化物半導体層35を成長して半導体発光ダイオードを形成した場合、半導体層35で生じた光を発光ダイオードの外部に取り出す際に問題となる光の反射ロスは、半導体層35と基板10の界面では殆ど起きず、主として基板10の裏面(下面)10aと外部(空気等)との界面で起きる。したがって、実施の形態3乃至5に示すように、基板10の裏面(下面)10aに凹凸を形成したり、基板10の裏面(下面)10aをドーム状に加工することで光の反射ロスを減らし、光取り出し効率を飛躍的に高めることも可能となる。
n型窒化物半導体層28としては、n側電極40を形成するコンタクト層としての機能や、活性層32に電子を供給する機能、活性層32にキャリアや光を閉じ込める機能などを持つ構造とすることが好ましい。尚、窒化物半導体から成る基板10の裏面にn側電極40を形成する場合は、n型窒化物半導体層28にコンタクト層としての機能が不要であることは言うまでもない。
活性層32は、量子井戸構造であることが好ましい。量子井戸構造としては、井戸層が1つの単一量子井戸構造や、複数の井戸層が障壁層を介して積層した多重量子井戸構造がある。いずれの場合も井戸層が発光層となる。単一量子井戸構造の場合、井戸層の両側を障壁層で挟んだ構造としても良い。量子井戸構造の井戸層に限らず、発光層としてはInを含む窒化物半導体が好ましい。Inを含む窒化物半導体を発光層に用いれば、紫外域から可視光(赤色光)の領域において好適な発光効率が得られる。特に発光層にInGaN層を用いること、Inの混晶比を変化させて所望の発光波長を得ることができ好ましい。このほかGaN、AlGaNなどのInGaNよりもバンドギャップの広い窒化物半導体を発光層に用いて、紫外域を発光する発光素子としても良い。
p型窒化物半導体層34としては、Mg等のp型不純物をドープした窒化物半導体であれば、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側電極36の材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。
p側電極36は、p型窒化物半導体層34とオーミック接触が取れる材料で構成し、好ましくはp型窒化物半導体層34のほぼ全面に形成する。p型窒化物半導体層34の側から発光を取り出す場合には、p側電極36は、活性層32の発光に対して透光性であることが好ましい。p側電極36としては、In、Zn、Sn、Ga、W、Tiから選択される少なくとも1種を含む導電性の酸化物、具体的には、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2、TiO2及びこれらの複合酸化物が挙げられる。また、NiとAuを含む金属薄膜等も好適に用いることができる。一方、基板10の下面側から発光を取り出す場合には、p側電極36は、活性層32の発光を反射する材料とすることが好ましく、Ag、Al、Rhなどを用いることができる。また、p側電極36として、前記の透光性電極とAg、Al、Rhなどの反射膜、誘電体ミラー等の組み合わせによる反射構造なども好適に用いることができる。
p側パッド電極38は、p側電極36と低抵抗な状態で接続できるように材料が選択される。p側パッド電極38を積層構造で設ける場合、例えばAu、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Cr、Tiのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせとすることができる。具体例として、p側電極36と接続する側からTi/Rh/Au、W/Pt/Au、Rh/Pt/Au、W/Pt/Au/Ni、Pt/Au、Ti/Rhなどを用いて構成することができる。
本実施の形態では、p型窒化物半導体層34と活性層32の一部を除去してn型窒化物半導体層28を露出させ、その露出したn型窒化物半導体層28にn側電極40を形成している。この場合、n側電極40には、p側パッド電極38と同様の材料を使うことができる。即ち、n側電極40を積層構造で設ける場合、例えばAu、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Cr、Tiのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせとすることができる。具体例として、n型窒化物半導体層28と接続する側からTi/Rh/Au、W/Pt/Au、Rh/Pt/Au、W/Pt/Au/Ni、Pt/Au、Ti/Rhなどを用いて構成することができる。n側電極40の材料をp側パッド電極38と同一にすれば、n側のp側の電極を同時に形成できるため有利である。
図4は、本件発明の実施の形態2に係る窒化物半導体発光ダイオード1を示す模式断面図である。本実施の形態では、中間層30がn型窒化物半導体層28の中に形成されている。その他の点は、実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、窒化物半導体から成る基板10の下面に光の進行方向を変えて多重反射を抑制するための凹凸を形成することにより、発光の取り出し効率を高める。その他の点は、実施の形態1又は2と同様である。
本実施の形態では、窒化物半導体から成る基板10と窒化物半導体層(n型窒化物半導体層28、活性層32、p型窒化物半導体層34)の側面を逆メサ形状とすること、即ち、上側から下側に向けて内側に傾斜した傾斜面とすることにより、発光の取り出し効率を高める。その他の点は、実施の形態1又は2と同様である。
本実施の形態では、図8に示すように、窒化物半導体層(n型窒化物半導体層28、活性層32、p型窒化物半導体層34)の側面と基板10の側面と基板10の下面とを連続した半球面とすることにより、発光の取り出し効率を向上させる。或いは、基板10の側面と下面とを連続した半球面としても良い。尚、図8では、図面の簡単のため、具体的な素子構造は省略して示している。また、基板10の下面を上側にして表している。その他の点は、実施の形態1又は2と同様である。このような形状にすることで、活性層32の発光をさらに効率良く取り出すことができる。窒化物半導体層の側面と基板10の側面と基板10の下面とを連続した半球面とするには、機械研磨などの方法を用いることができる。
本実施の形態では、実施の形態1〜5の発光ダイオード1を用いた発光ダイオードランプ(発光装置)について説明する。発光ダイオード1は、例えば図9に示すようなパッケージに実装されて発光ダイオードランプとなる。図9の例では、基板10の下面側から発光を取り出せるように、発光ダイオード1をサブマウント上にフェースダウン実装(又はフリップチップ実装)している。図9では、発光ダイオード1が図1等とは上下逆に示されている。
図1に示す構造の発光ダイオード1を以下のよう作製した。
(基板10)
基板10として、転位密度が4×106cm−2であるGaN基板を用いた。C面を主面とするGaN基板10をMOVPEの反応容器内にセットし、基板の温度を1140℃まで上昇させ、水素と窒素をキャリアガスとし、アンモニアを流しながら基板のクリーニングを行った。
次に、温度を510℃に下げ、水素と窒素をキャリアガスとし、TMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニアを流しながら、Al0.1Ga0.9Nから成る中間層30を均一な層ができている場合に9nmの見込み膜厚(=単結晶である場合の見込みの膜厚)となるだけの時間成長させた。
温度を1140℃まで上昇させ、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12を約1.5μmの膜厚で成長させた。
1140℃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14を4.16μmの膜厚で成長させた。
1100℃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型層16を約145nmの膜厚で成長させた。
1100℃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型層18を約10nmの膜厚で成長させた。
1100℃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型層20を約145nmの膜厚で成長させた。
1100℃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型層22を約30nmの膜厚で成長させた。
1100℃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型層24を約5nmの膜厚で成長させた。
TMG、アンモニアを用い、アンドープGaN層を約3.5nm成長させ、続いて温度を下げ、その上にTMG、TMI、アンモニアを用いてアンドープIn0.03Ga0.97Nよりなる第1の窒化物半導体層を約1.5nm成長させた。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3.5nm成長させた超格子構造よりなるn型多層膜26を成長させた。
アンドープGaNよりなる障壁層を20nm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2nmの膜厚で成長させた。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108nmの多重量子井戸構造よりなる活性層32を成長させた。
870℃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型窒化物半導体層34を100nmの膜厚で成長させた。
中間層30を形成しない他は、実施例1と同様にして発光ダイオードランプを形成した。得られた発光ダイオードランプは、Vfが3.7V、光出力φeが18.3mWであった。
基板10として、実施例1とは異なるメーカ製のGaN基板(転位密度2×106cm−2、厚さ400μm)を用い、図1に示すように基板10に中間層30を直接形成したサンプルAと、図4に示すようにn型コンタクト層14の途中に中間層30を形成したサンプルBを作成した。サンプルAは、基板10を変え、中間層30を見込み膜厚が16nmとなるだけの時間成長した他は、実施例1と同様にして作成した。サンプルBは、基板10を変え、中間層30を下記のようにして形成した他は、実施例1と同様にして作成した。尚、サンプルA、B共に、窒化物半導体層のエピタキシャル成長の後にGaN基板を研磨し、総厚を200μmとした。
1140℃で、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14を3.16μmの膜厚で成長させた。
次に、温度を510℃に下げ、水素と窒素をキャリアガスとし、TMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニアを流しながら、Al0.1Ga0.9Nから成る中間層30を均一な層ができている場合に13nmの見込み膜厚となるだけの時間成長させた。
温度を1140℃に上げ、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14を1μmの膜厚で再成長させた。
実施例2のサンプルBにおいて、p側電極36であるITOの上に、絶縁膜としてSiO2を形成し、その上に第1反射層としてNb2O3とSiO2との誘電体多層膜を形成し、さらに第2反射層としてAlを設けた。そして、これらの反射層に設けた貫通孔を通じてITOと通電するようにTi/Rhから成るp側パッド電極38を設けた。このウエハを1mm角のチップに分割し、図9示すようなフェースダウン実装したところ、電流値が350mAのとき、Vfが3.16V、光出力φeが548.9mWであった。
実施例3の基板10の裏面に、図6に示すように四角錐状の凸部を正方配列する。凸部は、底面の大きさを100×100μm、高さを50μmとする。これによって光取り出し効率が実施例3に比べて33%向上する。
実施例3において、図7に示すように、GaN基板10とその上の窒化物半導体層の側面を30°傾斜させる。これによって光取り出し効率が実施例3に比べて51%向上する。
実施例3において、図8に示すように、GaN基板10とその上の窒化物半導体層を半球状に加工する。これによって光取り出し効率が実施例3に比べて70%向上する
実施例6において、GaN基板10とその上の窒化物半導体層を半球状に加工した後、その表面に膜厚tがt=λ/(4n)となるSnO2の無反射コートを行う。これによって光取り出し効率が実施例3に比べて84%向上する。
8 サファイア基板
10 GaN基板(窒化物半導体から成る基板)
12 下地層
14 n型コンタクト層
16 第1のn型層
18 第2のn型層
20 第3のn型層
22 第4のn型層
24 第5のn型層
26 超格子構造のn型多層膜
28 n型窒化物半導体層(第1導電型窒化物半導体層)
30 中間層
30a 島状部分
32 活性層
34 p型窒化物半導体層(第2導電型窒化物半導体層)
34a リッジ部
35 窒化物半導体層
36 p側電極
38 p側パッド電極
40 n側電極
42 転位
44 Vピット
46 段差(ステップ)
50 低転位密度領域
52 高転位密度領域
54 凸部
56 傾斜面
58 切欠部
60 垂直面
62 実装面
64 凹凸構造
64a 凸部
64b 凹部
66 サブマウント
68 封止樹脂
70 波長変換部材
72 はんだバンプ
74 電極
76 支持体
78 電極
80 ワイヤ
82 樹脂レンズ
Claims (16)
- 窒化物半導体から成る基板と、前記基板の上に形成された第1導電型窒化物半導体層と、前記第1導電型窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に形成された第2導電型窒化物半導体層とを備え、前記基板の下面側又は前記第2導電型窒化物半導体層の上面側から発光を取り出す窒化物半導体発光ダイオードであって、
前記基板内における平均の転位密度は5×107cm−2以下であり、
前記基板と前記活性層の間に転位発生層が形成され、
前記転位発生層は、前記基板の主面に垂直な断面における形状が島状であり、
前記転位発生層を起点として前記第1導電型窒化物半導体層内を上方に進行する転位が発生する結果、前記転位発生層よりも下側の窒化物半導体層における平均の転位密度が5×107cm−2以下であり、前記転位発生層よりも上側の窒化物半導体層における平均の転位密度が1×108cm−2より大きく、
前記転位発生層で発生した転位の少なくとも一部が前記活性層に到達し、前記活性層の発光領域に分布して、前記発光領域における平均の転位密度が1×108cm−2より大きくなっていることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。 - 前記転位発生層で発生した転位が、前記活性層の発光領域内で一様に分布していることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記活性層の発光領域における平均の転位密度が、2×108cm−2より大きく、5×109cm−2より小さい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発光ダイオード。
- 前記転位発生層から発生した転位に起因して、前記活性層にV字状のピットが発生してい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発光ダイオード。
- 前記転位発生層が、アモルファス又は多結晶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発光ダイオード。
- 前記転位発生層が、前記第1導電型窒化物半導体層の中に形成されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記転位発生層よりも上側の第1導電型窒化物半導体層と、前記活性層と、前記第2導電型窒化物半導体層との合計膜厚が、前記第1導電型窒化物半導体層と、前記活性層と、前記第2導電型窒化物半導体層の合計膜厚の2/3以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記転位発生層が、前記第1導電型窒化物半導体層の中で、前記基板よりも前記活性層に近い位置に形成された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発光ダイオード。
- 前記転位発生層よりも上側にある前記第1導電型窒化物半導体層の膜厚が、前記第1導電型窒化物半導体層の全膜厚の1/2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発光ダイオード。
- 前記転位発生層の平均膜厚が、5〜20nmであることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記転位発生層が、Alを含む窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記基板の下面に、前記活性層から発した光の進行方向を変えるための周期的な凸部又は凹部が形成されたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記基板の側面が、上側から下側に向けて内側に傾斜した傾斜面であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 前記基板の側面及び下面が連続して半球面となっていることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 少なくとも前記基板の下面に保護膜が形成され、前記保護膜の膜厚をt、前記活性層の発光波長をλ、λにおける前記保護膜の屈折率をn、Aは自然数として、t=Aλ/(4n)の関係を充足することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
- 請求項1乃至15のいずれかに1項に記載した窒化物半導体発光ダイオードと、前記窒化物半導体発光ダイオードの発した光の一部を異なる波長に光に変換する波長変換部材とを備えた発光装置。
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