JP5836338B2 - 窒化物半導体構造及び半導体発光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスに関し、特に、付加的な電荷ホールを供給して発光効率を向上させる電荷ホール供給層を有する窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスに関する。
近年、発光ダイオードは、広く利用され、日常生活において重要で必要不可欠なものとなっている。発光ダイオードは、従来の照明設備を代替する次世代の固体点灯素子であり、より良い省エネルギ性、高効率、高パワーが得られるように開発が進められている。
窒化物ＬＥＤは、小体積、無水銀、高発光効率、長寿命などの特長を有し、オプトエレクトロニクス半導体材料の一つとなっており、ＩＩＩ族窒化物の発光波長が可視光のほとんどの範囲をカバーすることができるため、大きな可能性を備えた発光ダイオード材料として見られている。
窒化物ＬＥＤは、小体積、無水銀、高発光効率、長寿命などの特長を有し、オプトエレクトロニクス半導体材料の一つとなっており、ＩＩＩ族窒化物の発光波長が可視光のほとんどの範囲をカバーすることができるため、大きな可能性を備えた発光ダイオード材料として見られている。
ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮなどのＩＩＩ族窒化物の材料は、ワイドバンドギャップを有し、オプトエレクトロニクス半導体材料において非常に重要な役割を担っている。エネルギギャップの範囲は、ダイレクトバンドギャップが０．７ｅＶのＩｎＮから３．４ｅＶのＧａＮまで、さらには６．２ｅＶのＡｌＮまでであり、出射される光波長範囲は、紅、緑、青から深紫外域までである。
ＩＩＩ族窒化物半導体は、発光デバイス上にＰＮ接合として用いられ、さらに詳細にはｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層を形成しなければならない。一般にＳｉ、Ｓｎなどのｎ型ドーパントをドーピングし、ｐ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成し、Ｍｇをｐ型ドーパントとして使用するが、ＭｇはＨと容易に反応してＭｇ−Ｈ錯体（Ｍｇ−Ｈ ｃｏｍｐｌｅｘ）を形成し、上述したｐ型ドーパントはアクセプタの性質を発揮することができず、供給する電荷ホールの濃度が大幅に下がって発光デバイスは正常な機能を発揮することができなくなる。これにより低抵抗（ｌｏｗ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有するｐ型窒化物半導体層を従来技術により形成することは容易でなかった。
ＩＩＩ族窒化物半導体は、発光デバイス上にＰＮ接合として用いられ、さらに詳細にはｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層を形成しなければならない。一般にＳｉ、Ｓｎなどのｎ型ドーパントをドーピングし、ｐ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成し、Ｍｇをｐ型ドーパントとして使用するが、ＭｇはＨと容易に反応してＭｇ−Ｈ錯体（Ｍｇ−Ｈ ｃｏｍｐｌｅｘ）を形成し、上述したｐ型ドーパントはアクセプタの性質を発揮することができず、供給する電荷ホールの濃度が大幅に下がって発光デバイスは正常な機能を発揮することができなくなる。これにより低抵抗（ｌｏｗ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有するｐ型窒化物半導体層を従来技術により形成することは容易でなかった。
例えば、ｐ型窒化物からなる半導体層（例えば、ＧａＮ）を形成する際、一般にＮＨ3ガスを窒素源として使用し、エピタキシャル工程（例えば、気相成長など）の高温によりＮＨ3を窒素原子及び水素原子に分解する。
水素原子は、上述の半導体層中でアクセプタとして用いるｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）と反応する。そのため、上述のｐ型ドーパントはその作用が失われ、ドーパント濃度を効果的に高めることができなかった。
また、ＧａＮ中のＭｇの非常に大きな活性化エネルギにより、電荷ホールの活性化効率が非常に低かったため（１０％未満）、ｐ型ＧａＮの電荷ホールの濃度を高めることは困難である。そのため、電荷ホールの濃度を高めるためには、ＭｇとＨとの反応を減らしてｐ型ＧａＮの抵抗を十分に低くし、発光効率を高めなければならなかった。
水素原子は、上述の半導体層中でアクセプタとして用いるｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）と反応する。そのため、上述のｐ型ドーパントはその作用が失われ、ドーパント濃度を効果的に高めることができなかった。
また、ＧａＮ中のＭｇの非常に大きな活性化エネルギにより、電荷ホールの活性化効率が非常に低かったため（１０％未満）、ｐ型ＧａＮの電荷ホールの濃度を高めることは困難である。そのため、電荷ホールの濃度を高めるためには、ＭｇとＨとの反応を減らしてｐ型ＧａＮの抵抗を十分に低くし、発光効率を高めなければならなかった。
本発明の目的は、電荷ホール供給層にＩＶ族元素をドーピングして電荷ホールの密度を高め、Ｍｇ−Ｈボンドによる不活性化現象を減らし、Ｍｇの活性化によりアクセプタの有効作用を得て、電荷ホール供給層の電荷密度を高め、これにより多くの電荷ホールが発光層へ入って電子・正孔の結合率を向上させて発光効率を高める窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を含む窒化物半導体構造であって、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間には、発光層が形成され、前記発光層と前記ｐ型半導体層との間には、電荷ホール供給層が形成され、前記電荷ホール供給層はＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、前記電荷ホール供給層には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素がドーピングされることを特徴とする窒化物半導体構造が提供される。
前記ＩＶ族元素は炭素であることが好ましい。
前記電荷ホール供給層には、濃度が１０18ｃｍ-3より大きなｐ型ドーパントがドーピングされることが好ましい。
前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記電荷ホール供給層のバンドギャップエネルギは、前記多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きいことが好ましい。
上記課題を解決するために、本発明の第２の形態によれば、基板、ｎ型半導体層、発光層、電荷ホール供給層、ｐ型半導体層、ｎ型電極及びｐ型電極を備えた半導体発光デバイスであって、前記ｎ型半導体層は、前記基板上に形成され、前記発光層は、前記ｎ型半導体層上に形成され、前記電荷ホール供給層は、前記発光層上に形成されたＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、前記電荷ホール供給層には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素がドーピングされ、前記ｐ型半導体層は、前記電荷ホール供給層上に形成され、前記ｎ型電極は、前記ｎ型半導体層上にオーミックコンタクトされ、前記ｐ型電極は、前記ｐ型半導体層上にオーミックコンタクトされることを特徴とする半導体発光デバイスが提供される。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。
図１を参照する。図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体構造を示す断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体構造は、ｎ型半導体層２及びｐ型半導体層３を含む。
ｎ型半導体層２とｐ型半導体層３との間には、発光層（ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）４が形成される。発光層４とｐ型半導体層３との間には、電荷ホール供給層５が形成される。電荷ホール供給層５はＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、好適には０＜ｘ≦０．１である。
また、電荷ホール供給層５には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素（炭素であることが好ましい）がドーピングされる。本実施形態においてｎ型半導体層２はｎ型ＧａＮ系半導体層であり、ｐ型半導体層３はｐ型ＧａＮ半導体層である。
ｎ型半導体層２とｐ型半導体層３との間には、発光層（ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）４が形成される。発光層４とｐ型半導体層３との間には、電荷ホール供給層５が形成される。電荷ホール供給層５はＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、好適には０＜ｘ≦０．１である。
また、電荷ホール供給層５には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素（炭素であることが好ましい）がドーピングされる。本実施形態においてｎ型半導体層２はｎ型ＧａＮ系半導体層であり、ｐ型半導体層３はｐ型ＧａＮ半導体層である。
上述の電荷ホール供給層５には、濃度が１０18ｃｍ-3より大きなｐ型ドーパント（例えば、マグネシウム）がドーピングされ、１〜１００ｎｍの厚さを有することが好ましい。
また、上述の発光層４は、多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）を有する。多重量子井戸構造は、ＩｎＧａＮ井戸層（ｗｅｌｌ）とＧａＮバリア層とが交互に積層されて形成されている。電荷ホール供給層５のバンドギャップエネルギ（ｂａｎｄ ｇａｐ ｅｎｅｒｇｙ）は、多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きく、多重量子井戸構造の井戸層中へ電荷ホールが入って電子と電荷ホールとの結合率を高めて発光効率を向上させる。
また、電荷ホール供給層５とｐ型半導体層３との間には、ｐ型キャリア阻止層６を形成してもよい。ｐ型キャリア阻止層６は、発光層４より大きなバンドギャップエネルギを有する材料により製作される。
本実施形態のｐ型ＡｌＧａＮは、電子がｐ型半導体層３内へ逃げ込むことを防ぎ、電子の移動速度を下げて発光層４に滞在する時間を延ばす。発光層４とｎ型半導体層２との間にはｎ型キャリア阻止層７が形成されてもよく、ｎ型キャリア阻止層７は、発光層４より大きなバンドギャップエネルギを有する材料により製作される。本実施形態のｎ型ＡｌＧａＮは、電荷ホールがｎ型半導体層２内へ逃げ入ることを防ぐ。
本実施形態のｐ型ＡｌＧａＮは、電子がｐ型半導体層３内へ逃げ込むことを防ぎ、電子の移動速度を下げて発光層４に滞在する時間を延ばす。発光層４とｎ型半導体層２との間にはｎ型キャリア阻止層７が形成されてもよく、ｎ型キャリア阻止層７は、発光層４より大きなバンドギャップエネルギを有する材料により製作される。本実施形態のｎ型ＡｌＧａＮは、電荷ホールがｎ型半導体層２内へ逃げ入ることを防ぐ。
上述した本実施形態の窒化物半導体構造を実際に使用する際、電荷ホール供給層５は、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素をドーピングし、ＩＶ族元素により５価窒素元素を代替し、これにより正に帯電した電荷ホールを１つ増やして電荷ホール供給層の電荷ホール密度を高める。
上述のＩＶ族元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂなどでもよいが、Ｃであることが好ましい。上述のＩＶ族元素がＣであることが好ましい理由とは、エピタキシャル工程においてＣは、アンモニアガスから分解されて放出された水素と反応して安定した化合物ＣＨ4が形成されて窒化物半導体から分離される。このため、Ｈの含有量が減り、Ｍｇ−Ｈボンドが発生する状況が減り、Ｍｇをイオン形態で活性化させるため、電荷ホール供給層５の電荷密度が高くなり、これにより多くの電荷ホールが発光層４へ入って電子・正孔の結合率が向上する。
上述のＩＶ族元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂなどでもよいが、Ｃであることが好ましい。上述のＩＶ族元素がＣであることが好ましい理由とは、エピタキシャル工程においてＣは、アンモニアガスから分解されて放出された水素と反応して安定した化合物ＣＨ4が形成されて窒化物半導体から分離される。このため、Ｈの含有量が減り、Ｍｇ−Ｈボンドが発生する状況が減り、Ｍｇをイオン形態で活性化させるため、電荷ホール供給層５の電荷密度が高くなり、これにより多くの電荷ホールが発光層４へ入って電子・正孔の結合率が向上する。
図２を参照する。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体発光デバイスを示す断面図である。図２に示すように、上述の窒化物半導体構造は半導体発光デバイスへ利用することができる。半導体発光デバイスは、少なくとも基板１、ｎ型半導体層２、発光層４、電荷ホール供給層５、ｐ型半導体層３、ｎ型電極２１及びｐ型電極３１から構成される。
ｎ型半導体層２は、基板１上に形成される。
発光層４は、ｎ型半導体層２上に形成され、多重量子井戸構造を有する。
電荷ホール供給層５は、発光層４上に形成され、ＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、好適には０＜ｘ≦０．１である。
また、電荷ホール供給層５には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素（炭素であることが好ましい）がドーピングされる。電荷ホール供給層５は、１〜１００ｎｍの厚さを有することが好ましく、１０18ｃｍ-3より大きな濃度を有するｐ型ドーパント（例えばマグネシウムである）をドーピングし、電荷ホール供給層５のバンドギャップエネルギは、多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きい。
また、電荷ホール供給層５には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素（炭素であることが好ましい）がドーピングされる。電荷ホール供給層５は、１〜１００ｎｍの厚さを有することが好ましく、１０18ｃｍ-3より大きな濃度を有するｐ型ドーパント（例えばマグネシウムである）をドーピングし、電荷ホール供給層５のバンドギャップエネルギは、多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きい。
ｐ型半導体層３は、電荷ホール供給層５上に形成される。
ｎ型電極２１は、ｎ型半導体層２上にオーミックコンタクトされる。
ｐ型電極３１は、ｐ型半導体層３上にオーミックコンタクトされる。
ｎ型電極２１とｐ型電極３１とは、組み合わせて電気エネルギを供給し、チタン、アルミニウム、金、クロム、ニッケル、白金又はこれらの合金を含む材料により製造されるが、勿論これらだけに限定されるわけではなく、その製造方法は本発明の特徴でない上、当業者であれば分かるため、ここでは詳説しない。
電荷ホール供給層５とｐ型半導体層３との間にはｐ型キャリア阻止層６を形成してもよく、発光層４とｎ型半導体層２との間にはｎ型キャリア阻止層７を形成してもよい。
ｎ型キャリア阻止層７及びｐ型キャリア阻止層６は、それぞれ発光層４より高いバンドギャップエネルギを有する材料で製作され、格子不整合により転位が発生してしまう問題の発生を防ぐために、基板１の表面にバッファ層８を形成してもよい。バッファ層８は、ＡｌＧａyＮ1-yであり、ここでｙの範囲は０＜ｙ＜１である。
ｎ型キャリア阻止層７及びｐ型キャリア阻止層６は、それぞれ発光層４より高いバンドギャップエネルギを有する材料で製作され、格子不整合により転位が発生してしまう問題の発生を防ぐために、基板１の表面にバッファ層８を形成してもよい。バッファ層８は、ＡｌＧａyＮ1-yであり、ここでｙの範囲は０＜ｙ＜１である。
上述したことから分かるように、本発明の窒化物半導体構造及び半導体発光デバイスは、電荷ホール供給層にＩＶ族元素をドーピングして電荷ホールの密度を高め、Ｍｇ−Ｈボンドによる不活性化現象を減らし、Ｍｇの活性化によりアクセプタの有効作用を得て、電荷ホール供給層の電荷密度を高め、これにより多くの電荷ホールが発光層へ入って電子・正孔の結合率が向上して発光効率が高くなる。
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
１ 基板
２ ｎ型半導体層
３ ｐ型半導体層
４ 発光層
５ 電荷ホール供給層
６ ｐ型キャリア阻止層
７ ｎ型キャリア阻止層
８ バッファ層
２１ ｎ型電極
３１ ｐ型電極
２ ｎ型半導体層
３ ｐ型半導体層
４ 発光層
５ 電荷ホール供給層
６ ｐ型キャリア阻止層
７ ｎ型キャリア阻止層
８ バッファ層
２１ ｎ型電極
３１ ｐ型電極
Claims (4)
- ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を含む窒化物半導体構造であって、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間には、発光層が形成され、
前記発光層と前記ｐ型半導体層との間には、電荷ホール供給層が形成され、
前記電荷ホール供給層はＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、
前記電荷ホール供給層には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素がドーピングされ、
前記ＩＶ族元素は炭素であることを特徴とする、
窒化物半導体構造。 - 前記電荷ホール供給層には、濃度が１０18ｃｍ-3より大きなｐ型ドーパントがドーピングされることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体構造。
- 前記発光層は、多重量子井戸構造を有し、前記電荷ホール供給層のバンドギャップエネルギは、前記多重量子井戸構造の井戸層のバンドギャップエネルギより大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体構造。
- 基板、ｎ型半導体層、発光層、電荷ホール供給層、ｐ型半導体層、ｎ型電極及びｐ型電極を備えた半導体発光デバイスであって、
前記ｎ型半導体層は、前記基板上に形成され、
前記発光層は、前記ｎ型半導体層上に形成され、
前記電荷ホール供給層は、前記発光層上に形成されたＩｎxＧａ1-xＮであり、ここでｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、前記電荷ホール供給層には、濃度１０17〜１０20ｃｍ-3のＩＶ族元素がドーピングされ、
前記ＩＶ族元素は炭素であり、
前記ｐ型半導体層は、前記電荷ホール供給層上に形成され、
前記ｎ型電極は、前記ｎ型半導体層上にオーミックコンタクトされ、
前記ｐ型電極は、前記ｐ型半導体層上にオーミックコンタクトされることを特徴とする、
半導体発光デバイス。
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