JP6137468B2

JP6137468B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP6137468B2
Application number: JP2013100910A
Authority: JP
Inventors: 哲二松尾
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: JP2014222684A

Description

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。

ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ（窒化ガリウムアルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウムガリウムアルミニウム）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた例えば青色発光ダイオード等の半導体発光素子は公知である。
従来の典型的な発光素子は、サファイアから成る絶縁性基板、この絶縁性基板の一方の主面（上面）に形成された例えば日本の特開平４‐２９７０２３号公報に開示されてＧａxＡｌ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１の範囲の数値である。）から成るバッファ層、このバッファ層の上にエピタキシャル成長によって形成された窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＧａＮ）から成るｎ形半導体領域、このｎ形半導体領域の上にエピタキシャル成長法によって形成された窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ）から成る活性層、及びこの活性層の上にエピタキシャル成長法によって形成されたｐ形半導体領域を備えている。カソ−ド電極はｎ形半導体領域に接続され、アノ−ド電極はｐ形半導体領域に接続されている。

ところで、絶縁性基板としてサファイアを用いた場合、サファイアは高価であるため、発光素子のコストが高くなった。このような問題を解決するため、窒化物半導体層を安価なシリコン基板上に形成することによって低コスト化が図られている。
しかし、シリコン基板の格子定数と窒化物半導体層の格子定数は大きく異なり、更に、熱膨張係数も異なる。このため、エピタキシャル成長によってシリコン基板上に形成された窒化物半導体層に、大きな歪みエネルギーが発生する。その結果、窒化物半導体層にクラックが発生したり、結晶品質が低下したりしやすい。
この問題を回避するために、例えば日本の特開２００３‐１１５６０６号公報には、シリコン基板と窒化物半導体からなる機能層との間に、窒化物半導体のバッファ層を配置した半導体発光素子が提案されている。

特開平４‐２９７０２３号公報特開２００３‐１１５６０６号公報

近年、このような半導体発光素子の照明用途への普及により、半導体発光素子の更なる結晶品質の向上による素子特性、信頼性の改善や、電気伝導性の向上が求められている。このような課題に鑑み、本発明は、従来よりもエピタキシャル成長膜の結晶品質を向上させることができ、電気伝導性の向上を図ることが可能な半導体発光素子を提供することにある。

本発明の一態様によれば、窒化ガリウム系化合物半導体を有する半導体発光素子であって、シリコン又はシリコン化合物から成る基板と、前記基板の一方の主面上に配置されるバッファ層と、発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導体領域とを備え、前記バッファ層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＧａＮ又はＡｌyＧａ1-yＮ（但し、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値である。）から成る第２の層と、ＡｌzＧａ1-zＮ（但し、zはy＜z≦xを満足する数値である。）から成る第３の層とを有し、前記第２の層と前記第３の層とが交互に積層されて複合層を形成し、前記第１の層と前記複合層が交互に積層され、前記バッファ層全体の平均Ａｌ組成が１４〜３０％の範囲であり、且つ前記半導体領域全体の平均Ａｌ組成が３％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりもエピタキシャル成長膜の結晶品質を向上させることができ、電気伝導性の向上を図ることが可能な半導体発光素子を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す模式図である。従来例と本発明の実施形態に係る半導体発光素子の特性を比較した表である。本発明の実施形態に係る半導体発光素子のバッファ層全体の平均Ａｌ組成の変化に対する半導体領域のエピタキシャル膜に生じたクラック長を示した図である。本発明の実施形態に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各領域の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

図１に示す本発明の実施形態に従う青色発光ダイオード１は、発光機能を得るための複数の窒化ガリウム系化合物層から成る半導体領域１０と、主面の結晶面方位が（111）のシリコン半導体から成るサブストレート即ち基板１１と、バッファ層１２とを有している。

発光機能を有する半導体領域１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第１の半導体領域としてのｎ形半導体領域１３、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）から成る発光層即ち活性層１４、及び第２の半導体領域としてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１５とから成る。基板１１とバッファ層１２と発光機能を有する半導体領域１０との積層体から成る基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体領域１５の表面上に第１の電極としてのアノード電極１７が配置され、この基体１６の他方の主面（下面）即ち基板１１の他方の主面に第２の電極としてのカソード電極１８が配置されている。バッファ層１２、ｎ形半導体領域１３、活性層１４、及びｐ形半導体領域１５は、基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えてエピタキシャル成長させたものである。

基板１１は、導電形決定不純物を含むシリコン単結晶から成る。この基板１１の不純物濃度は、５×１０18 ｃｍ-3 〜５×１０19 ｃｍ-3 程度であり、この基板１１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度である。この実施形態の基板１１はＡｓ(砒素)が導入されたｎ形シリコンから成る。抵抗率が比較的低い基板１１はアノ−ド電極１７とカソード電極１８との間の電流通路として機能する。また、基板１１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、ｐ形半導体領域１５、活性層１４及びｎ形半導体領域１３から成る発光機能を有する半導体領域１０及びバッファ層１２の支持体として機能する。

基板１１上に配置されたバッファ層１２は、複数の第１の層１２ａと複数の第２の層１２ｂと複数の第３の層１２ｃが一定の順序で積層された多層構造となっている。図１では、基板１１上に第１の層１２ａ、第２の層１２ｂ、第３の層１２ｃ、第２の層１２ｂ、第３の層１２ｃ、第２の層１２ｂ、第１の層１２ａの順序で積層を繰り返して形成されている。言い換えると、第２の層１２ｂと第３の層１２ｃを繰り返して積層することで形成される複合層２０と第１の層１２ａを交互に積層することで、多層構造のバッファ層１２が形成される。
図１では、図示の都合上、バッファ層１２が複合層２０と第１の層１２ａを２回繰り返して形成されているが、実際には、バッファ層１２は、複合層２０と第１の層１２ａを６０回繰り返して形成している。

第１の層１２ａは、ｎ形導電形決定不純物としてのＳｉ（シリコン）を含み且つ化学式Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値、で示すことができる材料で形成される。即ち、第１の層１２ａは、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)又はＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）で形成される。図１の実施形態では、前記式のｘが１とされた材料に相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）が第１の層１２ａに使用されている。第１の層１２ａのＡｌＮは絶縁性を有するが、実施形態ではｎ形導電形決定不純物としてのＳｉ（シリコン）が含まれているので、電気抵抗が比較的小さい。

第２の層１２ｂは、ＧａＮ（窒化ガリウム）、又は化学式Ａｌ_yＧａ_1-yＮここで、ｙは、ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成るｎ形半導体の極く薄い膜である。第２の層１２ｂとしてＡｌ_yＧａ_1-yＮから成るｎ形半導体を使用する場合には、第２の層１２ｂの電気抵抗の増大を抑えるために、ｙを０＜ｙ＜０．３を満足する値即ち０より大きく且つ０．３よりも小さくすることが望ましい。ｙが０．３以上となると不純物ドーピングの効率が減少してキャリア密度が低下し、電気抵抗が増大してしまうからである。なお、この実施形態では電気抵抗が小さくなるように第２の層１２ｂがＧａＮからなる。また、第２の層１２ｂは、ｎ形不純物としてシリコンを含むことが望ましい。

第３の層１２ｃは、化学式Ａｌ_zＧａ_1-zＮここで、ｚは、ｙ＜ｚ≦ｘを満足する任意の数値、で示すことができる材料から成るｎ形半導体の極く薄い膜である。第３の層１２ｃとしてＡｌ_zＧａ_1-zＮから成るｎ形半導体を使用する場合には、第２の層と第３の層とが交互に積層されている複合層２０の電気伝導性を向上させるために、ｚをy＜z且つ０＜z＜０．５を満足する値即ちｙよりも大きく且つ０．５よりも小さくすることが望ましい。第３の層１２ｃと第２の層１２ｂの間に形成されるヘテロ界面では、バンド不連続により形成されるキャリア溜まりが発生する。ｚをｙ＜ｚ且つ０＜ｚ＜０．５とすることにより、界面に沿った方向すなわち、青色発光ダイオード１の面内方向の電気伝導が飛躍的に向上する。
また、好ましくはｚ−ｙ＞０．１さらに好ましくはｚ−ｙ＞０．２とする。これにより青色発光ダイオード１の面内方向の発光均一性が飛躍的に向上する。
一方、ｚが０．５以上の場合は、不純物ドーピングの効率が減少してキャリア密度が低下してしまい、第３の層１２ｃの縦方向の電気抵抗、すなわち基板１１から半導体領域１０に向かう電気抵抗が増大してしまう。
なお、この実施形態では面内方向の電気伝導を大きくするとともに、縦方向の電気抵抗が最も小さくなるように、第２の層１３ｂがＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる。また、第３の層１２ｃは、ｎ形不純物としてシリコンを含むことが望ましい。

バッファ層１２の第１の層１２ａの厚みは、好ましくは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜８ｎｍである。第１の層１２ａの厚みが０．５ｎｍ未満の場合には、バッファ層１２の上面に形成される半導体領域１０の平坦性が良好に保てなくなる。第１の層１２ａの厚みが１０ｎｍを超えると、量子力学的トンネル効果を良好に得ることができなくなり、バッファ層１２の電気的抵抗が増大する。

第２の層１２ｂの厚みは、好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、より好ましくは６ｎｍ以上１０ｎｍ未満である。第２の層１２ｂの厚みが２ｎｍ未満の場合には、バッファ層１２の平坦性さらにはその上に形成される半導体領域１０の平坦性が良好に保てなくなる。厚みが１０ｎｍ以上となると、エピタキシャル膜にクラックが発生してしまう。

第３の層１２ｃの厚みは、好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍ、より好ましくは０．７５ｎｍ〜１．５ｎｍである。厚みが０．５ｎｍ未満の場合には、界面に沿った方向、すなわち青色発光ダイオード１の面内方向の電気伝導の向上効果が得られない。一方で厚みが２ｎｍ以上の場合には、縦方向の電気抵抗、すなわち基板１１から半導体領域１０に向かう電気抵抗が増大してしまう。

第２の層１２ｂと第３の層１２ｃとが交互に積層されている複合層２０があり、第1の層１２ａと前記複合層２０が少なくとも交互に積層されて成るバッファ層１２全体の平均Ａｌ組成は１４〜３０％であり、且つ前記バッファ層１２の上に配置された複数の窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導体領域１０全体の平均Ａｌ組成を３％以下とする。これにより、バッファ層１２と半導体領域１０の内部歪みのバランスが適正になり、エピタキシャル膜に生じるクラックを抑制して、半導体領域１０の結晶品質を向上させることができる。
半導体領域１０を発光ダイオードやトランジスタ、受光素子、発電素子とする場合、半導体領域１０全体の平均Ａｌ組成を３％以下にすることで、クラックを抑制し、結晶欠陥が少ない半導体素子を得ることができる。

更に半導体領域１０の結晶品質を向上させるためには、半導体領域１０のエピタキシャル膜厚を厚く形成する必要がある。しかし、例えば特許文献２に示される従来例のように、第１の層１２ａ（ＡｌＮ）を０．５〜１０ｎｍの厚さとし、第２の層１２ｂ（ＧａＮ）を１０〜３００ｎｍの厚さで繰り返し形成したバッファ層では、半導体領域１０の膜厚を厚くするとエピタキシャル膜にクラックが発生するという問題が生じる。これは、第２の層１２ｂが１０〜３００ｎｍと厚いため、バッファ層内での応力緩和が十分に行われないためである。

図２は、本発明に係るバッファ層１２と、従来例に係る第１の層１２ａと第２の層１２ｂの繰り返しによるバッファ層（第３の層１２ｃを有さない）における、半導体領域１０のエピタキシャル膜に生じたクラック長（ｍｍ）を比較した図である。具体的には、本発明に係るバッファ層１２は、第１の層１２ａをＡｌＮで５ｎｍ形成し、第２の層１２ｂをＧａＮで８ｎｍ形成し、第３の層１２ｃをＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎで形成した。なお、第３の層１２ｃの厚さを変化（比較例１：０．７５ｎｍ、比較例２：１ｎｍ、比較例３：１．２５ｎｍ）させた構造で比較を実施した。
また、従来例に係るバッファ層としては、第１の層１２ａをＡｌＮで５ｎｍ形成し、第３の層１２ｃは含めずに、第２の層１２ｂをＧａＮで２４ｎｍ形成した。

図２に示す通り、従来例の構造におけるエピタキシャル膜に生じたクラック長は１０ｍｍであるのに対し、本発明に係るバッファ層１２の構造では、比較例１及び３では３ｍｍ、比較例２では２ｍｍである。このことから、本発明に係るバッファ層１２の構造においては、従来例と比較して、半導体領域１０のエピタキシャル膜に生じたクラック長は短く、第３の層１２ｃを配置した効果が顕著に表れていることが分かる。すなわち、従来例のように第２の層１２ｂを２４ｎｍで形成するより、本発明に係るバッファ層のように、第２の層１２ｂを８ｎｍの３層とし、各第２の層１２ｂの間に第３の層１２ｃを配置した構造とすることで、バッファ層１２内の応力緩和が十分に行われ、半導体領域１０のエピタキシャル膜のクラックの発生を抑制することができる。このとき、最もクラックが抑制できた条件は、複合層２０全体の平均Ａｌ組成が１０％以下であり、且つ第３の層１２ｃをＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｚ＜０．５)とした場合である。

さらにバッファ層１２全体の平均Ａｌ組成を調整することもクラックを抑制するために重要である。図３は、バッファ層１２全体の平均Ａｌ組成の変化に対する半導体領域１０のエピタキシャル膜に生じたクラック長を示したものである。図３に示す通り、バッファ層１２全体の平均Ａｌ組成を１４〜３０％とすることで、半導体領域１０のエピタキシャル膜のクラック長を５ｍｍ未満に抑えられている。これは、バッファ層１２全体の平均Ａｌ組成を１４〜３０％未満の場合に、半導体領域１０とバッファ層１２の平均的な格子定数差に起因した圧縮応力を半導体領域１０に加えることが出来るからである。これにより、半導体領域１０と基板１１との熱膨張係数差に起因する引張応力が緩和され、半導体領域１０の総合的な内部応力を減少させることが出来る。
しかし、バッファ層１２全体の平均Ａｌ組成が１４％未満の場合、半導体領域１０に有効な圧縮応力を加えることが出来なくなるため、クラックや結晶欠陥が発生してしまう。また、バッファ層１２全体の平均Ａｌ組成が３０％を超えると、バッファ層１２に発生する引張応力が増加して、バッファ層１２自体がクラック発生原因になってしまう。
そのため、バッファ層１２全体の平均Ａｌ組成を１４〜３０％とすることで、半導体領域１０のエピタキシャル膜に生じるクラックを抑制することが可能となる。

また、半導体領域１０に有効な圧縮応力を加えるためには、第1の層１２ａと複合層２０の交互に積層される繰り返し数が２０回以上になる条件が好ましい。これはバッファ層１２全体の膜厚を厚くすることで半導体領域１０に、より圧縮応力が加わるからである。更に好ましくは、繰り返し数は５０回以上とするとよい。

なお、図１の実施形態では、第１の層１２ａの厚みが５ｎｍであり、第２の層１２ｂの厚みが８ｎｍであり、第３の層１２ｃの厚みが１ｎｍであり、バッファ層１２の全体の厚みが１８６５ｎｍとなるよう形成した。

図４は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す。第1の層１２ａと前記複合層２０が交互に積層されているバッファ層１２の基板１１に近い側のみ、すなわち、バッファ層１２と基板１１の一方の主面の間に、Ｉｎを含む窒化物半導体層１９を挿入することで、基板１１とバッファ層１２の間の接触抵抗を低減することが出来る。例えば基板１１上にＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの層を１０〜５０ｎｍ形成し、その上に第１の層１２ａを形成したバッファ層１２とすることで、基板１１とバッファ層１２の間の接触抵抗を低減することができる。
また、例えば基板１１上に第１の層１２ａを形成した後に、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの層を１０〜５０ｎｍ挿入し、その上に第１の層１２ａを形成したバッファ層１２とすることでも、基板１１とバッファ層１２の間の接触抵抗を低減することができる。
これはＩｎを添加することで、第１の層１２ａとの界面での格子定数、バンドギャップの差が大きくなり、ヘテロ界面に局所的に発生するキャリア密度が上昇して接触抵抗が減少するからである。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１・・・青色発光ダイオード
１０・・・半導体領域
１１・・・基板
１２・・・バッファ層
１２ａ・・・第１の層
１２ｂ・・・第２の層
１２ｃ・・・第３の層
１３・・・ｎ型半導体領域
１４・・・活性層
１５・・・ｐ型半導体領域
１６・・・基体
１７・・・アノード電極
１８・・・カソード電極
１９・・・Ｉｎを含む窒化物半導体層
２０・・・複合層

Claims

窒化ガリウム系化合物半導体を有する半導体発光素子であって、
シリコン又はシリコン化合物から成る基板と、
前記基板の一方の主面上に配置されるバッファ層と、
発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導体領域と、
を備え、前記バッファ層は、
ＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、
ＧａＮ又はＡｌyＧａ1-yＮ（但し、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値である。）から成る第２の層と、
ＡｌzＧａ1-zＮ（但し、zはy＜z≦xを満足する数値である。）から成る第３の層と、
を有し、
前記第２の層と前記第３の層とが交互に積層されて複合層を形成し、
前記第１の層と前記複合層が交互に積層され、
前記バッファ層全体の平均Ａｌ組成が１４〜３０％の範囲であり、且つ前記半導体領域全体の平均Ａｌ組成が３％以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記複合層全体の平均Ａｌ組成が１０％以下であり、且つ前記第３の層がＡｌzＧａ1-zＮ（ｚ＜０．５)であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。