JP6330604B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device.
一般に発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)やレーザダイオード(Laser Diode:LD)等の半導体発光素子は、バックライト等に用いる各種光源、照明、信号機、大型ディスプレイ等に幅広く利用されている。特に、殺菌用途などへの利用も期待できる、窒化アルミニウムガリウムを使用した深紫外発光素子の開発が盛んに行われている。 In general, semiconductor light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) are widely used in various light sources used for backlights, lighting, traffic lights, large displays, and the like. In particular, development of deep ultraviolet light-emitting elements using aluminum gallium nitride, which can be expected to be used for sterilization, has been actively conducted.
しかしながら、窒化アルミニウムガリウムはバンドギャップが非常に大きく、ドープした不純物の準位がバンドギャップ中の深いエネルギー準位に形成され、キャリアの活性化エネルギーの増大を引き起こす。このことから、不純物をドープしても半導体層の電気伝導性は増加し難くなる(いいかえるとn型化あるいはp型化し難くなる)。この結果、電極と該電極が接触する半導体層との接触抵抗、及び該電極が接触する半導体層の表面抵抗が大きくなり、順駆動電圧Vfの上昇を招くという問題があった。また、キャリアの活性層への注入効率も低下し、高出力・高効率の半導体素子の開発が困難であった。 However, aluminum gallium nitride has a very large band gap, and the level of doped impurities is formed at a deep energy level in the band gap, causing an increase in the activation energy of carriers. For this reason, even if an impurity is doped, the electrical conductivity of the semiconductor layer is difficult to increase (in other words, it is difficult to make it n-type or p-type). As a result, there has been a problem that the contact resistance between the electrode and the semiconductor layer in contact with the electrode and the surface resistance of the semiconductor layer in contact with the electrode are increased, leading to an increase in the forward drive voltage Vf. In addition, the efficiency of carrier injection into the active layer has also decreased, making it difficult to develop high-power and high-efficiency semiconductor elements.
このような問題に鑑みて、本出願人はn型コンタクト層におけるAlの組成比を傾斜させる構造を開発した。このような半導体発光素子の半導体積層構造の概略図を参考例として図12に示す。この構造では、SiドープAlGaNであるn型コンタクト層410のAl組成が、n側電極440との接触面に近付く程低減するように、n型コンタクト層410中におけるAl組成比を積層方向において漸減させている。このようにAl組成比を傾斜させることで、Al組成比の高い側でn型コンタクト層410の表面抵抗が増大するのを軽減することができる一方、Al組成比の低い側でn型コンタクト層410とn側電極440との接触抵抗を効果的に下げることができる。
In view of such a problem, the present applicant has developed a structure in which the Al composition ratio in the n-type contact layer is inclined. A schematic diagram of the semiconductor multilayer structure of such a semiconductor light emitting device is shown in FIG. 12 as a reference example. In this structure, the Al composition ratio in the n-
しかしながら、図12に示すように、発光素子の同一面側にp側電極450及びn側電極440を設けるには、n型コンタクト層410にn側電極440との接合面を形成するために一部を露出させることが必要となるところ、n型コンタクト層410を露出させるためにはn型コンタクト層410の一部をエッチング等により掘り下げる必要がある。言い換えると、実際にn型コンタクト層410とn側電極440とを接合させる面Aは、n型コンタクト層410を成長させた最終面Bとはならずに、その手前の位置となる。このため、n型コンタクト層410でAl組成比を漸減させる構成においては、n型コンタクト層とn側電極との接触面AにおけるAl組成比よりも、最終的なAl組成比を高低差dの分だけさらに低く設定する必要がある。一方で、発光素子の発光波長を、例えば300nm以下の深紫外域とするには、光吸収を抑制するためにAlの組成比を更に増やす必要がある。
However, as shown in FIG. 12, in order to provide the p-
そこで本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の目的の一は、n型半導体層(例えばn型コンタクト層など)による活性層からの光の吸収を軽減して、光取り出し効率を改善した半導体発光素子を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made to solve the conventional problems. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device in which light absorption from an active layer by an n-type semiconductor layer (for example, an n-type contact layer) is reduced to improve light extraction efficiency.
上記の目的を達成するために、本発明の一の側面に係る半導体発光素子によれば、n型半導体層と、前記n型半導体層上の一部に設けられる活性層と、前記活性層上に設けられるp型半導体層と、前記n型半導体層上の他の一部に設けられるn側電極と、前記p型半導体層上に設けられるp側電極と、を有する半導体発光素子であって、前記発光素子の発光ピーク波長は240nm以上280nm以下であり、前記n型半導体層は、前記活性層側から順に、前記n側電極が設けられるAlXGa1-XN(0.60<X≦0.65)からなる低Al組成層と、前記低Al組成層と接するAlYGa1-YN(0.70≦Y<1)からなる高Al組成層とを有し、前記低Al組成層の厚さを、前記高Al組成層の厚さよりも薄くしている。 In order to achieve the above object, according to a semiconductor light emitting device according to one aspect of the present invention, an n-type semiconductor layer, an active layer provided in a part on the n-type semiconductor layer, and the active layer A p-type semiconductor layer provided on the n-type semiconductor layer, an n-side electrode provided on another part of the n-type semiconductor layer, and a p-side electrode provided on the p-type semiconductor layer. The emission peak wavelength of the light-emitting element is 240 nm or more and 280 nm or less, and the n-type semiconductor layer is formed of Al x Ga 1-X N (0.60 <X ≦ 0.65) and a high Al composition layer made of Al Y Ga 1-Y N (0.70 ≦ Y <1) in contact with the low Al composition layer, and the low Al composition layer The thickness of the composition layer is made thinner than the thickness of the high Al composition layer.
上記半導体発光素子によれば、n型半導体層による活性層からの光の吸収を軽減して、光取り出し効率を改善することができる。さらに、高Al組成層で広いバンドギャップを確保することで、n型半導体層の表面抵抗の増大を抑制しつつ、低Al組成層をn側電極との接続面に介在させることで、接触抵抗を下げることができる。 According to the semiconductor light emitting device, the light extraction efficiency can be improved by reducing the absorption of light from the active layer by the n-type semiconductor layer. Furthermore, by ensuring a wide band gap with a high Al composition layer, while suppressing an increase in the surface resistance of the n-type semiconductor layer, a low Al composition layer is interposed on the connection surface with the n-side electrode, thereby making contact resistance Can be lowered.
以下、本発明に係る実施形態及び実施例を、図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態及び実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、半導体発光素子を以下のものに特定しない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明に係る実施形態及び実施例を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。さらに、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments and examples according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following embodiments and examples exemplify semiconductor light emitting elements for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify the semiconductor light emitting elements as follows. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Furthermore, each element constituting the embodiment and the example according to the present invention may be configured such that a plurality of elements are configured by the same member and the plurality of elements are shared by one member. This function can also be realized by sharing a plurality of members. In addition, the contents described in some examples and embodiments may be used in other examples and embodiments. Further, in this specification, the term “upper” as used on the layer or the like is not necessarily limited to the case where the upper surface is formed in contact with the upper surface, but includes the case where the upper surface is formed apart. It is used to include the case where there is an intervening layer between them.
本出願人は先に、図12に示すような、n型コンタクト層410におけるAlの組成比を活性層430側に漸減するように傾斜させる構造を開発した。この構成では、n型コンタクト層410とn側電極440との接触抵抗を下げてn側電極440とのオーミック接触を図ることを企図している。しかしながら、このような組成傾斜の技術は、Al組成をn側電極との接触抵抗が良好になる組成以下に下げたとしても、活性層からの光の吸収が増大しないことが前提にある。この技術を発光波長が超短波領域の半導体積層体に適応しようとすると、光の吸収の観点からAl組成を十分下げることができず、n側電極との良好な接触抵抗を得られない。
The present applicant has previously developed a structure in which the composition ratio of Al in the n-
そこで、発光波長が超短波領域での光の取り出し効率を極力下げること無く、n側電極との接触抵抗を改善するため、本実施の形態に係る半導体発光素子の構成を検討した。なお、本明細書において超短波領域とは、波長が280nm程度以下を指す。また深紫外光(Deep UV)とは、波長が300nm以下の紫外線を指す。 Therefore, in order to improve the contact resistance with the n-side electrode without reducing the light extraction efficiency in the ultra-short wavelength region of the emission wavelength, the configuration of the semiconductor light emitting device according to this embodiment was examined. In the present specification, the term “ultrashort wave region” refers to a wavelength of about 280 nm or less. Deep ultraviolet light (Deep UV) refers to ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less.
n型コンタクト層は、n側電極との良好な接触抵抗を得るために、Al組成を下げて不純物の活性化を促進することが好ましい。そこで本発明者らは、n型半導体層の大部分を、発光波長が透過するのに十分なバンドギャップを持つ半導体層で構成しつつ、n側電極と接触する部分のみにバンドギャップの小さい半導体層を挿入し、これによってn側電極と接触する部分で不純物の活性化を促進することができる。なお、ここで挿入したバンドギャップの小さい半導体層においては、光の吸収が生じるものの、挿入層の膜厚を薄くすることで吸収量を低減させている。 In order to obtain good contact resistance with the n-side electrode, the n-type contact layer preferably promotes impurity activation by lowering the Al composition. Accordingly, the present inventors have configured a semiconductor having a small band gap only in a portion in contact with the n-side electrode while constituting the majority of the n-type semiconductor layer with a semiconductor layer having a band gap sufficient to transmit the emission wavelength. By inserting a layer, it is possible to promote the activation of impurities at the portion in contact with the n-side electrode. Note that although the light absorption occurs in the semiconductor layer with a small band gap inserted here, the amount of absorption is reduced by reducing the thickness of the insertion layer.
このような構成によって、n型半導体層による活性層からの光の吸収を軽減することができる。さらに、n型半導体層にバンドギャップの大きな半導体層を用いることで、n型半導体層の表面抵抗の増大を抑制しつつ、バンドギャップの小さい半導体層をn側電極との接続面に介在させることで、接触抵抗を下げることに成功した。
(実施の形態)
With such a configuration, absorption of light from the active layer by the n-type semiconductor layer can be reduced. Further, by using a semiconductor layer having a large band gap as the n-type semiconductor layer, a semiconductor layer having a small band gap is interposed on the connection surface with the n-side electrode while suppressing an increase in the surface resistance of the n-type semiconductor layer. So we succeeded in reducing the contact resistance.
(Embodiment)
図1に示す一実施の形態に係る半導体発光素子100は、n型半導体層10と、n型半導体層10上の一部に設けられる活性層30と、活性層30上に設けられるp型半導体層20と、n型半導体層10上の他の一部に設けられるn側電極40と、p型半導体層20上に設けられるp側電極50とを有する。なおn側電極40は、n型半導体層10上で活性層30以外の領域すべてに設ける必要はなく、通電が可能な領域とすれば足りる。この半導体発光素子の活性層30には、例えばAlaGa1-aN(0.35≦a≦0.60)が用いられ、発光ピーク波長は240nm以上280nm以下である。n型半導体層10は、活性層30側から順に、n側電極40が設けられるAlXGa1-XN(0.60<X≦0.65)からなる低Al組成層11と、低Al組成層11と接するAlYGa1-YN(0.70≦Y<1)からなる高Al組成層12とを有する。低Al組成層11の厚さは、高Al組成層12の厚さよりも薄くしている。このような構成により、高Al組成層12で広いバンドギャップを確保しつつ、低Al組成層11をn側電極40との接続面に介在させることで、表面抵抗の増大を抑制しつつ、接触抵抗を下げることを実現している。また低Al組成層11を薄くすることで、この部分での光の吸収を更に抑制し、光の取り出し効率の低下を回避することも可能となる。なお、低Al組成層11のAlXGa1-XNは、組成比Xを0.60より大きくすることで、光吸収を大幅に軽減でき、さらに組成比Xを0.65以下とすることで、接触抵抗が下がり、オーミック接触を良好にできる。一方、高Al組成層12のAlYGa1-YNは、組成比Yを0.70以上とし、さらに組成比Yを1よりも小さくすることで、高Al組成層12による光吸収が殆ど増大することなく、表面抵抗を下げることができる。
A semiconductor
また、発光素子の発光ピーク波長は、活性層30に例えばAlaGa1-aN(0.47≦a≦0.54)を用いて、250nm以上260nm以下程度とすることができる。このとき、低Al組成層11は、後述するように発光ピーク波長±15nm程度までの光吸収の軽減を考慮して、AlXGa1-XN(0.63≦X≦0.65)とすることが好ましい。さらに低Al組成層11の厚さは、0.5μm以上1.0μm以下とすることが好ましい。さらにまた低Al組成層11は、n型半導体層10のうち最も活性層30側に有することが望ましい。これにより、Al組成比を漸減させる構成と比較して、光が吸収される領域をさらに低減させることができる。
The light emission peak wavelength of the light emitting element can be set to about 250 nm to 260 nm by using, for example, Al a Ga 1-a N (0.47 ≦ a ≦ 0.54) for the
一方、高Al組成層12の厚さは、2.0μm以上5.0μm以下とすることが好ましい。これにより、n型半導体層10の表面抵抗の増大を効果的に抑制できる。また、2.0μm以上2.5μm以下とすることがより好ましく、これにより更に光の吸収が軽減される。また高Al組成層12は、低Al組成層11を設けた側と反対側の領域に、n型不純物がドープされていないアンドープ領域12bを有することが好ましい。加えて低Al組成層11及び高Al組成層12は、それぞれAlの組成比が、積層方向において略一定とすることが好ましい。いいかえるとAlの組成比を積層方向において傾斜状に変化させないことで、半導体積層工程を簡略化でき、また組成比の制御を正確に行える利点が得られる。加えて、低Al組成層11と高Al組成層12とでAl含有量に差を設けることで、いいかえると漸減させるのでなく離散的に変化させることで、一気に接触抵抗を下げることができる。これにより、Al組成比を傾斜させる従来の構成のように、Al組成比を低下させるまでにある程度の距離が必要となって、膜厚が厚くなり光の吸収が増加する事態を回避することが可能となる。
(n側電極40)
On the other hand, the thickness of the high
(N-side electrode 40)
またn側電極40は、低Al組成層11に接続される層にAlを含有することが好ましい。Alを含有させることで、低Al組成層11との接触抵抗をさらに下げることができる。なお電極形成の際には、n側電極40は低Al組成層11側から順にTi/Alの積層構造であるが、アニール処理によってTiとAlが混じり合った層になる。さらに、n側電極40をTi/Al/Ti/Au、又はTi/Al/W/Auなどとすることもできる。
The n-
なお半導体発光素子100においては、構成する大部分の要素が高混晶のAlGaNであることから、特定の下地基板3(サファイア基板)の上面に接して一定厚さ以上のAlNからなるバッファ層2を設けてテンプレート基板1とし、テンプレート基板1に接して半導体発光素子100を構成している。テンプレート基板1上に直接厚いAlGaN層を成長すると、非常に強い応力が生じ、クラック等を誘発してしまう。このことから、まずAlN及びAlGaNからなる超格子層14を設けて応力を分散させる。この超格子層14に接してn型半導体層10を形成し、さらにn型半導体層10に接して深紫外発光に必要な層を構成することで、クラックフリーで結晶性の良い窒化物半導体積層体が得られる。
(吸収波長)
In the semiconductor
(Absorption wavelength)
ここで、n型半導体層10を構成するAlxGa1-xNの吸収波長λpは、次式から演算できる。まず、バンドギャップと波長の関係式は、次式で表される。
Here, the absorption wavelength λp of Al x Ga 1-x N constituting the n-
E=hc/λ(E:バンドギャップ;h:プランク定数;c:光速;λ:波長) E = hc / λ (E: band gap; h: Planck constant; c: speed of light; λ: wavelength)
なお、図13に示すようにAlNのバンドギャップは約6.3eV、一方GaNのバンドギャップは約3.4eVであり、その間(AlxGa1-xN)はほぼ線形に変化すると考えられているので、ここでは一次関数で近似する。したがって、任意のAl組成をxとし、Al組成xに対するバンドギャップをy[eV]とすると、次式で表される。 As shown in FIG. 13, the band gap of AlN is about 6.3 eV, while the band gap of GaN is about 3.4 eV, and during that time (Al x Ga 1-x N) is considered to change almost linearly. Therefore, here we approximate with a linear function. Therefore, when an arbitrary Al composition is x and a band gap with respect to the Al composition x is y [eV], it is expressed by the following equation.
Y=2.9X+3.4 Y = 2.9X + 3.4
この一次関数から求めたバンドギャップを上式E=hc/λに代入することで、λを計算できる。この一次関数を1つの式に纏めると、任意の組成xに対する発光波長(吸収波長)λpは、次式で表される。 Λ can be calculated by substituting the band gap obtained from this linear function into the above equation E = hc / λ. When this linear function is put together into one equation, the emission wavelength (absorption wavelength) λp for an arbitrary composition x is expressed by the following equation.
λp=(hc)/(2.9X+3.4) λp = (hc) / (2.9X + 3.4)
また、上式におけるhcは近似的に1240であるから、次式で表される。 In addition, hc in the above equation is approximately 1240, and therefore is represented by the following equation.
λp=1240/(2.9X+3.4) λp = 1240 / (2.9X + 3.4)
この式において、例えば、λp=240nmのときX=0.6となり、言い換えると波長が240nmの光に対しては、Alの組成比が0.6より大きいAl組成層であれば吸収が抑えられると考えられる。つまり、発光ピーク波長240nm以上280nm以下である本実施形態においては、低Al組成層11のAl組成比を0.6より大きく設定することで、低Al組成層11による光吸収を大幅に軽減することができるため好ましい。
In this equation, for example, when λp = 240 nm, X = 0.6. In other words, for light having a wavelength of 240 nm, absorption is suppressed if the Al composition layer has an Al composition ratio larger than 0.6. it is conceivable that. That is, in the present embodiment where the emission peak wavelength is 240 nm or more and 280 nm or less, the light absorption by the low
一方で、発光ピークはある程度の幅、例えば、±15nm程度の幅を有しており、本実施形態における発光ピーク波長の下限値である240nmの場合、225nm〜255nmの波長域を有すると考えられる。波長が225nm付近の光の全体に占める光量は少ないとはいえ、高Al組成層12は、n型半導体層10の表面抵抗の増大を効果的に抑制するために低Al組成層11よりも膜厚を厚く設定されており、光吸収の影響が生じる可能性も考慮するのが好ましい。このため、本実施形態のように高Al組成層12のAl組成比を0.7以上に設定することで、波長が225nm以上の光の吸収を殆ど抑制することができるので好ましい。
(実施例)
On the other hand, the emission peak has a certain width, for example, about ± 15 nm, and in the case of 240 nm which is the lower limit value of the emission peak wavelength in this embodiment, it is considered to have a wavelength range of 225 nm to 255 nm. . Although the amount of light occupying the entire light having a wavelength of around 225 nm is small, the high
(Example)
窒化物半導体積層体にn側電極を形成するため、n型半導体層10を露出させるエッチング深さEDを1.2μmとする実施例(実施例1及び2)と、エッチング深さEDを0.8μmとする実施例(実施例3)とを作製した。
In order to form an n-side electrode in the nitride semiconductor multilayer body, an etching depth ED for exposing the n-
実施例1に係る半導体発光素子の製造方法を、図2に基づいて以下に説明する。
[窒化物半導体積層体をテンプレート基板に積層する工程]
A method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to Example 1 will be described below with reference to FIG.
[Step of stacking nitride semiconductor laminate on template substrate]
まず直径7.62cm(3インチ)の、c面を上面に有するサファイアからなる下地基板3上に厚さ3.5μmの窒化アルミニウムからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板を反応容器に設置し、原料ガスとしてアンモニア、トリメチルアルミニウム(TMA)を用いて、厚さ約0.1μmの単結晶の窒化アルミニウムからなるバッファ層を追加形成する。こうしてテンプレート基板1におけるバッファ層2の厚さを約3.6μmにする。
First, a template substrate in which a buffer layer made of aluminum nitride having a thickness of 3.5 μm is formed on a
引き続きアンモニア、TMA及びトリメチルガリウム(TMG)を用いて、厚さ約27.0nmのAl0.7Ga0.3Nからなる層(層a)を形成する。次にTMGの導入を止め、アンモニア及びTMAを用いて、厚さ約10.2nmのAlNからなる層(層b)を形成する。層a及び層bを交互に夫々30回繰り返し形成し、超格子層14を形成する。
Subsequently, a layer (layer a) made of Al 0.7 Ga 0.3 N having a thickness of about 27.0 nm is formed using ammonia, TMA, and trimethyl gallium (TMG). Next, the introduction of TMG is stopped, and a layer (layer b) made of AlN having a thickness of about 10.2 nm is formed using ammonia and TMA. Layer a and layer b are alternately and repeatedly formed 30 times to form
次に、高Al組成層12を形成する。まず、引き続きアンモニア、TMA及びTMGを用いて、アンドープのAl0.75Ga0.25N層をアンドープ領域12bとして形成する。なお、アンドープ領域12bの厚みは500nmである。このように、本明細書においてn型半導体層には、明確にn型を示す層のみならず、例えばアンドープAlGaN層のような層も含めてもよい。
Next, the high
引き続きアンモニア、TMA、TMG及びモノシラン用いて、SiドープのAl0.75Ga0.25N層をSiドープ領域12aとして形成する。Siドープ領域12aの厚みは1500nmとする。
Subsequently, an Si-doped Al 0.75 Ga 0.25 N layer is formed as the Si-doped
次に、低Al組成層11を形成する。まず、アンモニア、TMA、TMG及びモノシラン用いて、SiドープのAl0.65Ga0.35N層を形成する。低Al組成層11の厚みは1000nmとする。
Next, the low
次に、活性層30を形成する。まず低Al組成層11の形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を970℃、26.7kPa(200Torr)に調整する。調整後、アンモニア、TMA、トリエチルガリウム(TEG)及びモノシランを用いて、厚さ約50.0nmのSiドープのAl0.63Ga0.37Nからなる層(層c)を形成する。
Next, the
次にモノシランの導入を止め、アンモニア、TMA及びTEGを用いて、厚さ約4.4nmのAl0.45Ga0.55Nからなる層(層d1)を形成する。引き続きアンモニア、TMA、TEG及びモノシランを用いて、厚さ約2.5nmのSiドープのAl0.56Ga0.44Nからなる層(層d2)を形成する。層d1及び層d2を交互に2回繰り返し形成し、層dとする。以上の層c及び層dを合わせて活性層30とする。層d1は発光層(発光ピーク波長260nm程度)としての役目を果たす。
Next, the introduction of monosilane is stopped, and a layer (layer d1) made of Al 0.45 Ga 0.55 N having a thickness of about 4.4 nm is formed using ammonia, TMA, and TEG. Subsequently, a layer (layer d2) made of Si-doped Al 0.56 Ga 0.44 N having a thickness of about 2.5 nm is formed using ammonia, TMA, TEG, and monosilane. Layer d1 and layer d2 are alternately and repeatedly formed twice to form layer d. The layer c and the layer d are combined to form an
次に、p型半導体層20を形成する。活性層30形成後、全てのガスを一旦止め、反応容器内を870℃、13.3kPaに調整する。調整後、アンモニア及びTMAを用いて、厚さ約1.0nmのp型不純物ドープの窒化アルミニウムからなる層(層e)を形成する。
Next, the p-
引き続きアンモニア、TMA及びTMGを用いて、厚さ約4.0nmのp型不純物ドープのAl0.78Ga0.22Nからなる層(層f)を形成する。 Subsequently, a layer (layer f) made of p-type impurity doped Al 0.78 Ga 0.22 N having a thickness of about 4.0 nm is formed using ammonia, TMA, and TMG.
引き続きアンモニア、TMA、TMG及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg;マグネソセン)を用いて、厚さ約78.0nmのマグネシウムドープのAl0.63Ga0.37Nからなる層(層g)を形成する。 Subsequently, a layer (layer g) made of magnesium-doped Al 0.63 Ga 0.37 N having a thickness of about 78.0 nm is formed using ammonia, TMA, TMG, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg; magnesocene).
引き続きアンモニア、TMA、TMG及びCp2Mgを用いて、マグネシウムドープであり、Al0.6Ga0.4NからGaNまで積層方向にAl組成比が順次減少する組成傾斜層(層h)を形成する。組成傾斜層の厚さは23nmである。 Subsequently, ammonia, TMA, TMG, and Cp 2 Mg are used to form a composition-graded layer (layer h) that is magnesium-doped and in which the Al composition ratio sequentially decreases in the stacking direction from Al 0.6 Ga 0.4 N to GaN. The thickness of the composition gradient layer is 23 nm.
引き続きアンモニア、TMG及びCp2Mgを用いて、厚さ約309.0nmのMgドープの窒化ガリウムからなる層(層i)を形成する。 Subsequently, a layer (layer i) made of Mg-doped gallium nitride having a thickness of about 309.0 nm is formed using ammonia, TMG, and Cp 2 Mg.
引き続きアンモニア、TMG及びCp2Mgを用いて、厚さ約14.6nmのMgドープの窒化ガリウムからなる層(層j)を形成する。 Subsequently, a layer (layer j) made of Mg-doped gallium nitride having a thickness of about 14.6 nm is formed using ammonia, TMG, and Cp 2 Mg.
層e〜層jを合わせてp型半導体層20とする。こうして目的の窒化物半導体積層体を得た。また、層f〜層hは電子障壁層としての役目も果たす。
[n型半導体層10を露出させる工程]
The layers e to j are collectively referred to as a p-
[Step of exposing n-type semiconductor layer 10]
ここでn型半導体層10を露出させる、いわゆるn出しの工程について説明する。まず露出させたいn型半導体層10に相当する所定の領域のみエッチングされるように、半導体積層体にマスクを形成する。マスク形成後、半導体積層体をドライエッチング装置に入れ、装置内を10.5Paに調整する。調整後、バイアス出力250Wにし、塩素及び四塩化ケイ素を用いて、図2に示すようにp型半導体層20側から約1.2μmエッチングを施し、n型半導体層10を露出させる。エッチング後、ドライエッチング装置から半導体積層体を取り出し、マスクを除去する。
[n側電極40を形成する工程]
Here, a so-called n extraction process for exposing the n-
[Step of forming n-side electrode 40]
さらに露出されたn型半導体層10にn側電極40を形成する。まず、露出したn型半導体層10のみスパッタされるようマスクを形成する。マスク形成後、半導体積層体をスパッタ装置に入れ、装置内を1.0×10-4Paに調整する。調整後、アルゴン雰囲気下でチタンとアルミニウムの合金を、露出したn型半導体層10にスパッタする。チタンターゲットに印加する高周波電圧の出力は300W、アルミニウムターゲットにかける高周波電圧の出力は500Wとする。スパッタ後、n側電極40が形成された半導体積層体をスパッタ装置から取り出す。この時点では一枚のウエハに複数の半導体積層体が形成され、個々の半導体積層体は同一のn型半導体層10を共有している状態である。
Further, the n-
以上のようにして積層される半導体積層体の構造は、n型半導体層における低Al組成層11と高Al組成層12の膜厚やAl組成比を変化させることができる。ここで、実施例1に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図3に示す。この図に示す半導体発光素子は、エッチング深さEDを1.2μmとし、挿入する低Al組成層11の膜厚を1μm、高Al組成層12の膜厚を2μmとして、n型半導体層10を2層構造にした構造を採用している。
The structure of the semiconductor stacked body stacked as described above can change the film thickness and Al composition ratio of the low
ここでn型半導体層10の膜厚は、厚くする程、表面抵抗を下げることが期待できるものの、応力の関係で厚くし過ぎると結晶性の悪化が懸念される。そこで、総膜厚を従来構造の3μmとし、挿入する低Al組成層11の膜厚を変化させた。
Here, as the film thickness of the n-
なお、図3の例では、低Al組成層11はAl組成比を65%としたAl0.65Ga0.35Nであり、高Al組成層12はAl組成比を75%としたAl0.75Ga0.25Nである。なお、以下の実施例2、3、参考例等においても、Al組成比は、特に断りのない限り実施例1と同じとしている。
In the example of FIG. 3, the low
実施例2に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図4に示す。この図に示す半導体発光素子は、AlGaNからなるn型半導体層10を、2層の高Al組成層であるSiドープ領域12aとアンドープ領域12bの間に低Al組成層11を挿入してなる3層構造としている。この半導体発光素子は、エッチング深さEDを1.2μmとし、挿入する低Al組成層11の膜厚を0.8μm、高Al組成層12であるアンドープ領域12b、Siドープ領域12aの膜厚をそれぞれ2μm、0.2μmとして、n型半導体層10を3層構造にした構造である。ここで各層のAl組成比は、Siドープ領域12aで75%、低Al組成層11で65%、アンドープ領域12bで75%とした。
FIG. 4 shows a schematic diagram of the semiconductor multilayer structure of the semiconductor light emitting device according to Example 2. As shown in FIG. The semiconductor light emitting device shown in this figure is formed by inserting an n-
実施例3に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図5に示す。この図に示す半導体発光素子は、エッチング深さED=0.8μmで、挿入する低Al組成層11の膜厚を0.8μm、高Al組成層12の膜厚を2.2μmとして、n型半導体層10を2層構造にした構造である。この例でも、低Al組成層11はAl組成比を65%としたAl0.65Ga0.35Nであり、高Al組成層12はAl組成比を75%としたAl0.75Ga0.25Nである。
FIG. 5 shows a schematic diagram of a semiconductor multilayer structure of a semiconductor light emitting device according to Example 3. As shown in FIG. The semiconductor light emitting device shown in this figure has an etching depth ED = 0.8 μm, the thickness of the inserted low
さらに参考例として、図6に示すように低Al組成層を有さず、n型半導体層10としてSiドープAlGaN層を3μm積層した半導体発光素子を作製した。この例では、SiドープAlGaN層のAl組成比を75%とした。
[電圧−電流特性]
Further, as a reference example, a semiconductor light emitting device having a low Al composition layer and having a Si-doped AlGaN layer of 3 μm stacked as the n-
[Voltage-current characteristics]
隣り合う半導体積層体のn側電極40間を通電して、電圧−電流特性(n−n曲線)を実施例1〜3及び参考例に係る半導体発光素子に対して取得した。この結果を図7のグラフに示す。
Electricity was passed between the n-
本実施例では図7に示す参考例に係る半導体発光素子のVfが通常より高くなっており、イレギュラーロットである可能性がある。通常は9〜10Vの間くらいである。 In this example, Vf of the semiconductor light emitting device according to the reference example shown in FIG. 7 is higher than usual, which may be an irregular lot. Usually it is between 9-10V.
また、図7に示すように、電圧−電流特性(n−n曲線)においては、低Al組成層を挿入した実施例1〜3のいずれにおいても、低Al組成層を有しない参考例と比べて、n−n曲線の改善が確認できた。 Moreover, as shown in FIG. 7, in the voltage-current characteristic (n-n curve), any of Examples 1 to 3 in which the low Al composition layer is inserted is compared with the reference example having no low Al composition layer. Thus, the improvement of the nn curve was confirmed.
実施例1は、実施例1〜3の中で一番低Al組成の層割合が多い構造となっている。そのため、光の吸収が大きく、出力の低下を招いた。また、図7に示すように、Vfはn−n曲線がショットキー接触からオーミック接触になり、Vf値が低下した。 Example 1 has a structure in which the layer ratio of the lowest Al composition is the highest among Examples 1 to 3. Therefore, light absorption is large, resulting in a decrease in output. Further, as shown in FIG. 7, the Vn of the nn curve changed from Schottky contact to ohmic contact, and the Vf value decreased.
また実施例2では、低Al組成層の割合は下記実施例3と同じになっている。この構造では実施例1のように光の吸収が大きくなる現象は発生しなかった。また、図7に示すようにn−n曲線もオーミック接触になり、Vfは低減している。 In Example 2, the proportion of the low Al composition layer is the same as in Example 3 below. In this structure, the phenomenon in which light absorption is increased as in Example 1 did not occur. Further, as shown in FIG. 7, the nn curve is also in ohmic contact, and Vf is reduced.
さらに実施例3の構造は実施例2とよく似ており、n出し深さを変更して低Al組成層の挿入位置を上部に移動している。実施例2と同じく光の吸収の増大は発生せず、Vfの低減も確認できた。 Further, the structure of Example 3 is very similar to that of Example 2, and the insertion position of the low Al composition layer is moved upward by changing the depth of n-out. As in Example 2, an increase in light absorption did not occur, and a decrease in Vf could be confirmed.
本実施例に係る深紫外発光素子の検査は、ウエハの裏面から採光している。よってこの数値はn型半導体層の吸収に大きく依存した値が得られる。
[順方向電圧と光強度の測定]
In the inspection of the deep ultraviolet light emitting device according to the present embodiment, the light is taken from the back surface of the wafer. Therefore, this value is highly dependent on the absorption of the n-type semiconductor layer.
[Measurement of forward voltage and light intensity]
次に、実施例1〜3及び参考例に係る半導体発光素子に対して、順駆動電流If=20mAで通電して順方向電圧Vfを測定し、さらに光強度VL(a.u.)を測定した結果を図8に示す。ここでは、□320μm角のFDのダイスで試作して、一般的なステム、シェル型のTO−18パッケージに実装し、検査項目として光強度VL(a.u.)及び順方向電圧Vf(V)を測定した。この図に示すように、実施例2及び3の低Al組成層の膜厚を極力減らした構造では、VL値がそのままで、Vfのみ大きく低下している。参考例が高めに出ていることを考慮しても約2Vの低減効果が期待できる。一方、実施例1の低Al組成層の割合が多い構造では、Vfは同じく低下しているものの、VLも低下している。これはn型半導体層での吸収が増えたためと推測される。 Next, the semiconductor light emitting devices according to Examples 1 to 3 and the reference example are energized with a forward drive current If = 20 mA, the forward voltage Vf is measured, and the light intensity VL (au) is measured. The results are shown in FIG. Here, a prototype is made with a □ 320 μm square FD die, mounted on a general stem and shell type TO-18 package, and light intensity VL (au) and forward voltage Vf (V ) Was measured. As shown in this figure, in the structure in which the film thickness of the low Al composition layer of Examples 2 and 3 is reduced as much as possible, the VL value remains as it is, and only Vf is greatly reduced. Even considering that the reference example is high, a reduction effect of about 2 V can be expected. On the other hand, in the structure having a large proportion of the low Al composition layer of Example 1, Vf is also decreased, but VL is also decreased. This is presumed to be due to an increase in absorption in the n-type semiconductor layer.
次に、比較例1に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図9に示す。この図に示す半導体発光素子では、n型半導体層10をアンドープAlGaN組成傾斜層16、SiドープAlGaN組成傾斜層17の2層からなる組成傾斜構造として、Al組成比を75%から65%の範囲でAlGaN/AlN超格子層14上から活性層30へ向かう程、組成比が下がるように順次連続的に傾斜させた。
Next, FIG. 9 shows a schematic diagram of a semiconductor stacked structure of a semiconductor light emitting element according to Comparative Example 1. FIG. In the semiconductor light emitting device shown in this figure, the n-
比較例1に係る半導体発光素子は、実施例1〜3及び参考例と同じく255nmの発光ピーク波長とする。この製造方法は、下地超格子層AlGaNの組成からAl組成比の傾斜を開始し、傾斜の終値で65%程度となるようにAl組成を漸減させている。Alの組成比が65%程度であれば、255nmの光の吸収が比較的軽度と考えられるためである。発光ピーク波長が超短波領域になると、n型半導体層による光の吸収を防ぐためにAl比を十分減らすことが困難となり、Vfを低減させるのに必要な組成の傾斜幅が得られ難くなる。 The semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1 has an emission peak wavelength of 255 nm as in Examples 1 to 3 and the reference example. In this manufacturing method, the gradient of the Al composition ratio starts from the composition of the underlying superlattice layer AlGaN, and the Al composition is gradually decreased so that the final value of the gradient is about 65%. This is because the light absorption at 255 nm is considered to be relatively light if the Al composition ratio is about 65%. When the emission peak wavelength is in the ultrashort wavelength region, it is difficult to sufficiently reduce the Al ratio in order to prevent light absorption by the n-type semiconductor layer, and it becomes difficult to obtain the gradient width of the composition necessary to reduce Vf.
比較例2に係る半導体発光素子の半導体積層構造の模式図を図10に示す。この図に示す半導体発光素子でも、n型半導体層をAl組成比を傾斜させたアンドープAlGaN組成傾斜層16とSiドープAlGaN組成傾斜層17の2層からなる組成傾斜構造とした。ここでは、Al組成比を95%から65%の範囲で、AlGaN/AlN超格子層14上から活性層30に近付く程組成が下がるように順次連続的に傾斜させた。上述した比較例1では傾斜の幅が得られず、n出し量の変動で大きくコンタクト状態が変わることが懸念されたため、比較例2では傾斜始まりを95%とした構造を採用した。この構造では傾斜幅は得られるが、全体的にAl組成が上昇するため、表面抵抗を下げることは期待できない。
[順方向電圧と光出力の測定]
FIG. 10 shows a schematic diagram of a semiconductor laminated structure of a semiconductor light emitting device according to Comparative Example 2. Also in the semiconductor light emitting device shown in this figure, the n-type semiconductor layer has a composition gradient structure composed of two layers of an undoped AlGaN
[Measurement of forward voltage and light output]
上記のサンプルを□320μm角のFDダイスで試作して、一般的なステム、シェル型のTO−18パッケージに実装し、検査項目として光出力Po(mW)及び順方向電圧Vf(V)を測定した結果を、図11のグラフに示す。比較例1及び2の構造共、Vfの低下は確認できなかった。このサンプルでは、図7に示すようにn−n曲線がオーミック接触とならず、ショットキー接触であった。このことからn型AlGaN層の組成を傾斜させることによりn型半導体層上部では接触面の抵抗値が改善する65%程度になっていても、n出し部分ではAl組成が高くなっていることが推測できる。 The above sample is prototyped with a □ 320 μm square FD die, mounted on a general stem and shell type TO-18 package, and optical output Po (mW) and forward voltage Vf (V) are measured as inspection items. The results are shown in the graph of FIG. In the structures of Comparative Examples 1 and 2, no decrease in Vf could be confirmed. In this sample, as shown in FIG. 7, the nn curve was not ohmic contact but Schottky contact. From this fact, the composition of the n-type AlGaN layer is inclined so that the Al composition is high in the n-out portion even if the resistance value of the contact surface is improved to about 65% at the upper part of the n-type semiconductor layer. I can guess.
n出し到達点でAl組成を65%とするには、n型半導体層上部でもっとAl組成を下げる必要があり、光の吸収が無視できなくなる。連続的に組成を傾斜させる構造は波長が280nm付近以上の発光素子に対してはVf低減に有効であるが、それよりも短波長になると適用できない。
In order to make the
これに対し、n型コンタクト層を2層構造としたことで光の吸収を確実に抑制でき、コンタクト性の改善を実現できる。以上から、Alの組成比を傾斜させる構成よりも、複数層とする方が超短波領域では有用であることが確認された。 On the other hand, the n-type contact layer has a two-layer structure, so that light absorption can be reliably suppressed, and improvement in contact property can be realized. From the above, it was confirmed that the use of a plurality of layers is more useful in the ultra-high frequency region than the configuration in which the Al composition ratio is inclined.
本発明の半導体発光素子は、バックライト光源、照明用光源、ヘッドライト、発光素子を光源としてドットマトリックス状に配置したディスプレイ、信号機、照明式スイッチ、イメージスキャナ等の各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。 The semiconductor light emitting device of the present invention is suitable for backlight sensors, illumination light sources, headlights, various sensors such as displays, traffic lights, illumination switches, and image scanners, and various indicators that are arranged in a dot matrix using the light emitting elements as light sources. Available to:
100…半導体発光素子
1…テンプレート基板
2…バッファ層
3…下地基板
10…n型半導体層
11…低Al組成層
12…高Al組成層
12a…Siドープ領域
12b…アンドープ領域
14…AlGaN/AlN超格子層
16…アンドープAlGaN組成傾斜層
17…SiドープAlGaN組成傾斜層
20…p型半導体層
30…活性層
40…n側電極
50…p側電極
410…n型コンタクト層
420…p型半導体層
430…活性層
440…n側電極
450…p側電極
ED…エッチング深さ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記n型半導体層上の一部に設けられる活性層と、
前記活性層上に設けられるp型半導体層と、
前記n型半導体層上の他の一部に設けられるn側電極と、
前記p型半導体層上に設けられるp側電極と
を有する半導体発光素子であって、
前記発光素子の発光ピーク波長は240nm以上280nm以下であり、
前記n型半導体層は、前記活性層側から順に、
前記n側電極が設けられるAlXGa1-XN(0.60<X≦0.65)からなる低Al組成層と、
前記低Al組成層と接するAlYGa1-YN(0.70≦Y<1)からなる高Al組成層と、を有し、
前記低Al組成層の厚さは、前記高Al組成層の厚さよりも薄くしてなることを特徴とする半導体発光素子。 an n-type semiconductor layer;
An active layer provided in a part on the n-type semiconductor layer;
A p-type semiconductor layer provided on the active layer;
An n-side electrode provided on another part of the n-type semiconductor layer;
A semiconductor light emitting device having a p-side electrode provided on the p-type semiconductor layer,
The emission peak wavelength of the light emitting element is 240 nm or more and 280 nm or less,
The n-type semiconductor layer is sequentially from the active layer side.
A low Al composition layer made of Al x Ga 1-X N (0.60 <X ≦ 0.65) provided with the n-side electrode;
A high Al composition layer made of Al Y Ga 1-Y N (0.70 ≦ Y <1) in contact with the low Al composition layer,
A thickness of the low Al composition layer is made thinner than a thickness of the high Al composition layer.
前記発光素子の発光ピーク波長は、250nm以上260nm以下であり、
前記低Al組成層は、AlXGa1-XN(0.63≦X≦0.65)であることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1,
The emission peak wavelength of the light emitting element is 250 nm or more and 260 nm or less,
The low Al composition layer is Al X Ga 1-X N (0.63 ≦ X ≦ 0.65).
前記低Al組成層の厚さは、0.5μm以上1.0μm以下であることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2,
A thickness of the low Al composition layer is not less than 0.5 μm and not more than 1.0 μm.
前記高Al組成層の厚さは、2.0μm以上5.0μm以下であることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device according to claim 1,
A thickness of the high Al composition layer is 2.0 μm or more and 5.0 μm or less.
前記n側電極は、前記低Al組成層に接続される層にAlを含有することを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device according to claim 1,
The n-side electrode contains Al in a layer connected to the low Al composition layer.
前記低Al組成層及び前記高Al組成層は、各層のAlの組成比が、積層方向において略一定であることを特徴とする半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device according to claim 1,
The low Al composition layer and the high Al composition layer have a composition ratio of Al in each layer substantially constant in the stacking direction.
前記低Al組成層は、前記n型半導体層のうち最も活性層側に位置されてなることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device according to claim 1,
The low Al composition layer is located closest to the active layer among the n-type semiconductor layers.
前記高Al組成層は、前記低Al組成層を設けた側と反対側の領域に、n型不純物がドープされていないアンドープ領域を有することを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device according to claim 1,
The high Al composition layer has an undoped region which is not doped with an n-type impurity in a region opposite to the side where the low Al composition layer is provided.
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