JP5992174B2 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
図1(a)は本発明の一実施形態によって作製され得る窒化物半導体発光素子の一例の上面図を示しており、図1(b)は図1(a)中のA−Aに沿った模式的断面図である。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
ダブルへテロ接合構造の技術的意義に照らせば、クラッド層は発光層に比べて大きなバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子および正孔を発光層内にせき止める機能を有するものである。ただし、図1(a)および(b)中のn型窒化物半導体層3は、便宜上、n型クラッド層や、n側電極7との良好なオーミック接触のためのコンタクト層をも含み得る。このようなn型窒化物半導体層3は、例えばn型不純物がドープされた窒化物半導体層だけのみならず、アンドープ窒化物半導体層などをも含む複数層としても形成され得る。すなわち、n型窒化物半導体層3としては、例えば、アンドープ層、n型ドープ層、n型コンタクト層などを適宜に含み得る。
活性層4は、GaN障壁層とIn含有窒化物半導体の井戸層とを交互に積層させたものであることが好ましい。井戸層の好ましい厚さは、その発光する光の波長に依存するが、
2〜20nmの範囲内であることが好ましい。このような活性層4の構造は、量子井戸構造に限られず、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造などのいずれであってもよい。活性層4が複数の井戸層を含む場合、少なくとも1つの井戸層が発光作用を果たせばよい。このような井戸層は、例えばInpGa1−pN(0<p<1)からなることが好ましい。
上述したように、ダブルへテロ接合構造の技術的意義に照らせば、p型クラッド層5は発光層に比べて大きなバンドギャップを有し、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子および正孔を発光層内にせき止める機能を有するものである。ただし、図1(a)および(b)中のp型クラッド層5は、蒸発防止層、キャリアブロック層、または電流拡散層として働くp型層をも含み得る。すなわち、p型クラッド層5は単層または複数層のいずれであってもよく、単層の場合にはGaN、AlGaN、InAlGaN、またはInGaNにp型不純物をドープしたものまたはアンドープのものを用いることができる。p型クラッド層5が複数層の場合には、それはInGaN/GaN、InGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、InGaN/InGaNなどの積層構造であってもよいし、複数の層が繰り返し積層された周期的多層構造を形成していてもよい。さらに、これらの多層構造は、超格子構造を形成していてもよい。
p型コンタクト層6は、透光性の電流拡散層7に対する接触抵抗を低減するために設けられるものである。このようなp型コンタクト層6は、p型クラッド層5に比べて高濃度にp型不純物をドープした窒化物半導体であることが好ましい。なお、p型コンタクト層6を設けることなく、p型クラッド層5上に電流拡散層7を形成してもよい。この場合、p型クラッド層5の上側表面近傍のp型不純物を高濃度にすることが好ましい。
p側電極パッド8は、外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となるものである。一方、p側電極パッド8から延びるp側枝電極8aは、活性層4に電流をより均一に注入する目的で電流拡散層7上に形成される。p側電極パッド8およびそれから延びるp側枝電極8aは、公知の態様で形成することができ、例えばTi、Al、Auなどの材料を用いることができる。また、p側電極パッド8およびそれから延びるp側枝電極8aは単層構造に限られず、多層構造で形成とすることもできる。p側電極パッド8が多層構造からなる場合には、その最上層としては厚さ500nm程度のAu層を形成することが好ましい。これにより、化合物半導体発光素子をパッケージに実装するときに、外部回路とのワイヤーボンド安定性を確保することができる。
n側電極パッド9は、外部回路と電気的に結線するワイヤーボンドの台座となるものである。一方、n側電極パッド9から延びるn側枝電極9aは、活性層4に電流をより均一に注入する目的で形成される。n側電極パッド9およびそれから延びるn側枝電極9aは、公知の態様で形成することができ、例えばTi、Al、Auなどの材料を用いることができる。また、n側電極パッド9およびそれから延びるn側枝電極9aは単層構造に限られず、多層構造で形成とすることもできる。n側電極パッド9が多層構造からなる場合には、その最上層としては厚さ500nm程度のAu層を形成することが好ましい。これにより、化合物半導体発光素子をパッケージに実装するときに、外部回路とのワイヤーボンド安定性を確保することができる。
電流拡散層7は、活性層4からの光を透過させるとともに、p型コンタクト層6に対するコンタクトを形成してその表面全体に電流を拡散させることにより、その下方にある活性層4の発光面積を拡大するために設けられる。したがって、電流拡散層7としては、p型コンタクト層6に比べて低抵抗の材料を用いることが好ましい。これにより、p側電極パッド8から注入される電流を電流拡散層7の面方向に拡散させることができる。このような電流拡散層7を構成する材料としては、例えばITO、IZOなどを好ましく使用することができ、ITOを使用することが特に好ましい。なぜならば、ITOは、透光性およびコンタクト抵抗の観点から特に優れているからである。
p側電極パッド(およびn側電極パッド)から枝状に延伸された延長部有する窒化物半導体発光素子において、電流拡散層のシート抵抗Rs2とn型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1とがどの様な関係にあるときに、窒化物半導体発光素子の光出力が向上するのかを、図1(a)に示した電極パターンおよび、シミュレーションにより最適化した幾つかの電極パターンのp側枝電極を有する窒化物半導体発光素子を作製して確認した。
実施例1の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、図1(b)に模式的に示されているように、例えば(0001)面方位の主面を有するサファイアからなる基板1上に、AlNからなるバッファ層2を介して、n型窒化物半導体層3が堆積される。このn型窒化物半導体層3は、約1000℃の基板温度で堆積された厚さ9μmのGaN下地層と厚さ2μmのSiドープn型GaNコンタクト層(キャリア濃度:約6×1018cm−3)を含んでおり、シート抵抗Rs1は約6〜8Ω/□であった。
本発明の実施例2による窒化物半導体発光素子の製造方法では、実施例1に比べて、ITOからなる電流拡散層の成膜後の第2アニールのアニール温度を低くし、真空雰囲気中で430℃において5分間行なうことで、シート抵抗Rs2が13Ω/□と高くなる一方、ITOからなる電流拡散層とp型GaNからなるp型コンタクト層とのコンタクト抵抗Rcは0.04Ω・cm2と減少する。シート抵抗Rs2が実施例1より高くなるのは、第2アニールの温度が下がることによって、電流拡散層の結晶性が低下したためと考えられる。一方、電流拡散層とp型GaNからなるp型コンタクト層のコンタクト抵抗Rcが実施例1と比べて減少する原因は、ショットキー障壁の高さが小さくなったためと考えられる。
本発明の実施例3による窒化物半導体発光素子の製造方法では、ITOからなる電流拡散層の成膜後の第2アニールのアニール温度を、実施例1および実施例2に比べて更に下げ、真空雰囲気中で410℃において5分間行なった。その結果、電流拡散層のシート抵抗Rs2は15Ω/□と高くなる一方、ITOからなる電流拡散層とp型GaNからなるp型コンタクト層とのコンタクト抵抗Rcは0.03Ω・cm2と減少する。また、この実施例3の120mAにおける光出力は最も高くなっており、動作電圧も最も低くなっていることから、第2アニールのアニール温度が最適化されていることが分かる。
本発明の実施例4による窒化物半導体発光素子の製造方法では、ITOからなる電流拡散層の成膜後の第2アニールのアニール温度を、実施例1〜3に比べて更に下げ、真空雰囲気中で380℃において5分間行なった。その結果、電流拡散層のシート抵抗Rs2は20Ω/□と高くなる一方、ITOからなる電流拡散層とp型GaNからなるp型コンタクト層とのコンタクト抵抗Rcも0.05Ω・cm2と、実施例2および実施例3に較べて増加した。このように電流拡散層とp型コンタクト層とのコンタクト抵抗Rcが実施例2および実施例3の場合と異なって上昇したのは、第2アニールのアニール温度が一定範囲より低くなると、電流拡散層とp型コンタクト層との界面の接合が悪くなったためと考えられる。また、電流拡散層のシート抵抗Rs2と電流拡散層とp型コンタクト層とのコンタクト抵抗Rcの両方の抵抗値の上昇によって、窒化物半導体発光素子全体の動作電圧も上昇した。また、実施例2および実施例3と比べて光出力が低下したのは、第2アニールのアニール温度が最適値より低いためITOの透過率が悪くなったためと考えられる。
本発明の実施例5においては、全てのパラメタを最適化したX=512μm、Y=461μm、Y/X=0.9、およびRs2/Rs1=3(図4参照)の条件下で、実施例1の場合と同じチップ面積を有しかつ図3(C)の電極パターンを有する窒化物半導体発光素子が作製された。この実施例5の発光素子において、表1に示されているように、電力効率および光出力とも最良い結果が得られた。
Claims (14)
- 基板上面上の窒化物半導体領域内において1以上のn型窒化物半導体層、活性層、および1以上のp型窒化物半導体層をこの順に含み、
前記n型窒化物半導体層は部分的露出領域を有し、
前記n型窒化物半導体層の前記部分的露出領域にはn側電極パッドが形成されており、
前記p型窒化物半導体層上には電流拡散層が形成されており、
前記電流拡散層上にはp側電極パッドおよびそれから延びるp側枝電極が形成されており、
前記電流拡散層のシート抵抗Rs2が前記n型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1よりも高く、
前記電流拡散層のシート抵抗Rs2と前記n型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1との関係が、
Rs2=x×Rs1(但し、1.5≦x≦4)
にあり、
前記窒化物半導体領域は矩形形状であって、
前記p側電極パッドの中心と前記n側電極パッドの中心を直線で結んだときに、この直線と平行な前記窒化物半導体領域の辺の長さをYとして前記直線に垂直な辺の長さをXとすれば、0.8≦Y/X<1の条件を満たし、
前記p側電極パッド及び前記n側電極パッドが前記窒化物半導体領域の長辺方向の中央において短辺方向に並んで配置されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - Y/X=0.9の条件を満たすことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p側パッドに比べて前記n側電極パットが前記窒化物半導体領域の中央近くに配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1は、10Ω/□未満であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物半導体層の前記部分的露出領域上には前記n側電極パッドおよびそれから延びるn側枝電極が形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記基板上面上の前記窒化物半導体領域内において前記n型窒化物半導体層の前記部分的露出領域は前記p側電極パッドおよびそれから延びる前記p側枝電極に囲まれた略中央部に形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記p側電極パッドおよびそれから延びる前記p側枝電極の下部に形成されている前記電流拡散層と前記p型窒化物半導体層の間に電流非注入層が形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記窒化物半導体発光素子は100mA以上の大電流にて駆動されることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板上面上の窒化物半導体領域内において1以上のn型窒化物半導体層、活性層、および1以上のp型窒化物半導体層をこの順に形成する工程と、
前記p型窒化物半導体層の一部をエッチングすることにより前記n型窒化物半導体層の部分的露出領域を形成する工程と、
前記n型窒化物半導体層の前記部分的露出領域にn側電極パッドを形成する工程と、
前記p型窒化物半導体層上に電流拡散層を形成する工程と、
前記電流拡散層上にp側電極パッドおよびそれから延びるp側枝電極を形成する工程と、を少なくとも有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記窒化物半導体領域は矩形形状に形成され、
前記p側電極パッドの中心と前記n側電極パッドの中心を直線で結んだときに、この直線と平行な前記窒化物半導体領域の辺の長さをYとして前記直線に垂直な辺の長さをXとすれば、0.8≦Y/X<1の条件を満たすように形成され、
前記p側電極パッド及び前記n側電極パッドが前記窒化物半導体領域の長辺方向の中央において短辺方向に並んで配置するように形成され、
前記電流拡散層をアニールすることにより、前記電流拡散層のシート抵抗Rs2を前記n型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1よりも高くすることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記電流拡散層のシート抵抗Rs2と前記n型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1との関係が、
Rs2=x×Rs1(但し、1.5≦x≦4)
になるように前記電流拡散層をアニールすることを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記n型窒化物半導体層のシート抵抗Rs1は10Ω/□未満であることを特徴とする請求項9または10に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層のアニールは380〜450℃の温度範囲にて行うことを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層のアニールは410〜430℃の温度範囲にて行うことを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層のアニールは略410℃の温度にて行うことを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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