JP6383826B1 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の発光特性を向上させる。
【解決手段】半導体発光素子１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第１クラッド層２４と、ｎ型第１クラッド層２４上に設けられ、ｎ型第１クラッド層２４よりＡｌＮモル分率が低く、かつ、ＡｌＮモル分率が５０％以下であるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第２クラッド層２５と、ｎ型第２クラッド層２５上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層２６と、活性層２６上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、深紫外光を出力する半導体発光素子の開発が進められている。深紫外光用の発光素子は、窒化アルミニウム層（ＡｌＮ）上に順に積層される窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する。例えば、３００ｎｍ以下の発光波長を実現するため、ＡｌＮモル分率が５０％を超えるｎ型クラッド層が用いられる。このような高ＡｌＮ組成のｎ型クラッド層は、成長温度を１１５０℃〜１２００℃に設定し、成長圧力を１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒに設定することで結晶品質が高められる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２２７４９４号公報

ＡｌＧａＮ系半導体材料は、ＡｌＮモル分率が高くなるほど抵抗率が大きくなるため、発光効率を高めるためには、可能な限りＡｌＮモル分率が小さい材料を用いることが好ましい。例えば、波長３００ｎｍ以上の深紫外光を出力させる場合、ＡｌＮモル分率が５０％以下のｎ型クラッド層を用いることでｎ型クラッド層の抵抗率を下げることができる。しかしながら、ｎ型クラッド層のＡｌＮモル分率を下げた場合、下地層となるＡｌＮ層に対する格子定数差が大きくなるため、ｎ型クラッド層および活性層の結晶品質が低下し、発光効率の低下につながるおそれがある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、半導体発光素子の発光特性を向上させる技術を提供することにある。

本発明のある態様の半導体発光素子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第１クラッド層と、ｎ型第１クラッド層上に設けられ、ｎ型第１クラッド層よりＡｌＮモル分率が低く、かつ、ＡｌＮモル分率が５０％以下であるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第２クラッド層と、ｎ型第２クラッド層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備える。

この態様によると、ＡｌＮモル分率が５０％以下のｎ型第２クラッド層上に活性層を設けることで、ＡｌＮモル分率が５０％を超えるｎ型クラッド層を用いる場合よりも発光素子のバルク抵抗を下げることができる。また、ｎ型第２クラッド層よりもＡｌＮモル分率の高いｎ型第１クラッド層をＡｌＮ層とｎ型第２クラッド層の間に設けることで、ＡｌＮ層とｎ型第２クラッド層との間の格子定数差を緩和できる。これにより、ｎ型第２クラッド層および活性層の結晶品質を高めて、発光素子の発光特性を向上させることができる。

活性層は、波長３００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成されてもよい。

ｎ型第１クラッド層とｎ型第２クラッド層のＡｌＮモル分率の差は、５％以上２５％以下であってもよい。

ｎ型第２クラッド層は、ｎ型第１クラッド層よりも積層方向の厚さが大きくてもよい。

本発明の別の態様は、半導体発光素子の製造方法である。この方法は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層上にｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第１クラッド層を形成する工程と、ｎ型第１クラッド層上に、ｎ型第１クラッド層よりＡｌＮモル分率が低く、かつ、ＡｌＮモル分率が５０％以下であるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第２クラッド層を形成する工程と、ｎ型第２クラッド層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層を形成する工程と、活性層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備える。

この態様によると、ｎ型第２クラッド層よりもＡｌＮモル分率の高いｎ型第１クラッド層をＡｌＮ層とｎ型第２クラッド層の間に設けることで、ＡｌＮ層とｎ型第２クラッド層との間の格子定数差を緩和できる。また、ＡｌＮモル分率が５０％以下のｎ型第２クラッド層上に活性層を設けることで、ＡｌＮモル分率が５０％を超えるｎ型クラッド層を用いる場合よりも発光素子のバルク抵抗を下げることができる。これにより、発光素子の発光特性を向上させることができる。

本発明によれば、半導体発光素子の発光特性を向上させることができる。

実施の形態に係る半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 半導体発光素子のエネルギーバンドを模式的に示す図である。 半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の理解を助けるため、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の発光素子の寸法比と一致しない。

図１は、実施の形態に係る半導体発光素子１０の構成を概略的に示す断面図である。半導体発光素子１０は、中心波長λが約３６０ｎｍ以下となる「深紫外光」を発するように構成されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。このような波長の深紫外光を出力するため、半導体発光素子１０は、バンドギャップが約３．４ｅＶ以上となる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系半導体材料で構成される。本実施の形態では、中心波長λが３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の深紫外光を発する場合について示す。

本明細書において、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」とは、主に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体材料のことをいい、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の材料を含有する半導体材料を含むものとする。したがって、本明細書にいう「ＡｌＧａＮ系半導体材料」は、例えば、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成で表すことができ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を含むものとする。

また「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＡｌＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＧａＮ系半導体材料」ということがある。「ＧａＮ系半導体材料」には、主にＧａＮやＩｎＧａＮが含まれ、これらに微量のＡｌＮを含有する材料も含まれる。同様に、「ＡｌＧａＮ系半導体材料」のうち、ＧａＮを実質的に含まない材料を区別するために「ＡｌＮ系半導体材料」ということがある。「ＡｌＮ系半導体材料」には、主にＡｌＮやＩｎＡｌＮが含まれ、これらに微量のＧａＮが含有される材料も含まれる。

半導体発光素子１０は、基板２０と、バッファ層２２と、ｎ型第１クラッド層２４と、ｎ型第２クラッド層２５と、活性層２６と、電子ブロック層２８と、ｐ型クラッド層３０と、ｎ側電極３２と、ｐ側電極３４とを備える。

基板２０は、半導体発光素子１０が発する深紫外光に対して透光性を有する基板であり、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。基板２０は、第１主面２０ａと、第１主面２０ａの反対側の第２主面２０ｂを有する。第１主面２０ａは、バッファ層２２より上の各層を成長させるための結晶成長面となる一主面である。第２主面２０ｂは、活性層２６が発する深紫外光を外部に取り出すための光取出面となる一主面である。変形例において、基板２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板であってもよい。

バッファ層２２は、基板２０の第１主面２０ａの上に形成される。バッファ層２２は、ｎ型第１クラッド層２４より上の各層を形成するための下地層（テンプレート層）である。バッファ層２２は、例えば、アンドープのＡｌＮ層であり、具体的には高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ；High Temparature AlN）層である。バッファ層２２は、ＡｌＮ層上に形成されるアンドープのＡｌＧａＮ層を含んでもよい。変形例において、基板２０がＡｌＮ基板である場合、バッファ層２２は、アンドープのＡｌＧａＮ層のみで構成されてもよい。なお、基板２０がＡｌＮ基板である場合、バッファ層２２が設けられなくてもよい。

ｎ型第１クラッド層２４は、バッファ層２２の上に形成される。ｎ型第１クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｎ型第１クラッド層２４は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が２０％以上、好ましくは、４０％以上または５０％以上となるように形成される。ｎ型第１クラッド層２４の厚さｔ１は、０．１μｍ〜３μｍ程度であり、例えば、１μｍ〜２μｍ程度である。

ｎ型第２クラッド層２５は、ｎ型第１クラッド層２４の上に形成される。ｎ型第２クラッド層２５は、ｎ型第１クラッド層２４と同様、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層である。ｎ型第２クラッド層２５は、活性層２６が発する深紫外光を透過するように組成比が選択され、例えば、ＡｌＮのモル分率が２０％以上、好ましくは、３０％以上または４０％以上となるように形成される。その一方で、ｎ型第２クラッド層２５は、バルク抵抗を下げるためにＡｌＮのモル分率が５０％以下となるように形成される。ｎ型第２クラッド層２５の厚さｔ２は、０．５μｍ〜３．５μｍ程度であり、例えば、１μｍ〜３μｍ程度である。

ｎ型第１クラッド層２４およびｎ型第２クラッド層２５を比較すると、ｎ型第１クラッド層２４よりもｎ型第２クラッド層２５のＡｌＮモル分率が低くなるよう構成される。逆に言えば、ｎ型第２クラッド層２５よりもｎ型第１クラッド層２４のＡｌＮモル分率が高くなるよう構成される。ｎ型第１クラッド層２４のＡｌＮモル分率を高めることにより、ＡｌＮまたは高ＡｌＮ組成のＡｌＧａＮで構成されるバッファ層２２とｎ型第１クラッド層２４の間の格子定数差を緩和できる。

ｎ型第２クラッド層２５の結晶品質を高めるためには、ｎ型第１クラッド層２４とｎ型第２クラッド層２５のＡｌＮ組成の違いができるだけ小さい方が好ましい。ｎ型第１クラッド層２４とｎ型第２クラッド層２５のＡｌＮモル分率の差は、５％以上２５％以下であることが好ましく、例えば、１０％以上２０％以下であることが好ましい。ｎ型第１クラッド層２４のＡｌＮモル分率をできるだけ小さくすることにより、ｎ型第１クラッド層２４とｎ型第２クラッド層２５の合計のバルク抵抗をより低くできる。

ｎ型第１クラッド層２４およびｎ型第２クラッド層２５を比較すると、ｎ型第１クラッド層２４よりもｎ型第２クラッド層２５の積層方向の厚さが大きくなるよう構成される。逆に言えば、ｎ型第２クラッド層２５の厚さｔ２よりもｎ型第１クラッド層２４の厚さｔ１が小さくなるように構成される。相対的に高ＡｌＮ組成であるｎ型第１クラッド層２４の厚さを相対的に小さくすることにより、ｎ型第１クラッド層２４とｎ型第２クラッド層２５の合計のバルク抵抗をより低くできる。また、ｎ型第２クラッド層２５を厚めに形成することにより、ｎ型第２クラッド層２５の上に形成される活性層２６の結晶品質を高めることができる。

活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で構成され、ｎ型第２クラッド層２５と電子ブロック層２８の間に挟まれてダブルへテロ接合構造を形成する。活性層２６は、単層または多層の量子井戸構造を有し、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される障壁層と、アンドープのＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される井戸層の積層体で構成される。活性層２６は、波長３５５ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成され、例えば、波長３００ｎｍ以上の深紫外光を発するようにＡｌＮ組成比が選択される。

電子ブロック層２８は、活性層２６の上に形成される。電子ブロック層２８は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ＡｌＮのモル分率が４０％以上、好ましくは、５０％以上となるように形成される。電子ブロック層２８は、ＡｌＮのモル分率が８０％以上となるように形成されてもよく、実質的にＧａＮを含まないＡｌＮ系半導体材料で形成されてもよい。電子ブロック層は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、２ｎｍ〜５ｎｍ程度の厚さを有する。電子ブロック層２８は、ｐ型ではなく、アンドープの半導体層であってもよい。

ｐ型クラッド層３０は、電子ブロック層２８の上に形成されるｐ型半導体層である。ｐ型クラッド層３０は、ｐ型のＡｌＧａＮ系半導体材料層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされるＡｌＧａＮ層である。ｐ型クラッド層３０は、３００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の厚さを有し、例えば、４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の厚さを有する。ｐ型クラッド層３０は、実質的にＡｌＮを含まないｐ型ＧａＮ系半導体材料で形成されてもよい。

ｎ側電極３２は、ｎ型第２クラッド層２５の一部領域上に形成される。ｎ側電極３２は、ｎ型第２クラッド層２５の上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／Ｔｉ／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成される。ｎ側電極３２は、ｎ型第２クラッド層２５の一部領域を除去することにより露出するｎ型第１クラッド層２４の上に設けられてもよい。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に形成される。ｐ側電極３４は、ｐ型クラッド層３０の上に順に積層されるニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の多層膜で形成される。

図２は、半導体発光素子１０のエネルギーバンドを模式的に示す図であり、特に活性層２６付近の伝導帯の基底準位を模式的に示す。図２は、３層の障壁層３６ａ，３６ｂ，３６ｃ（総称して障壁層３６ともいう）と、３層の井戸層３８ａ，３８ｂ，３８ｃ（総称して井戸層３８ともいう）とを交互に積層させた多重量子井戸構造で活性層２６が構成される場合を示す。活性層２６は、３層の量子井戸構造に限られず、単層の量子井戸構造であってもよいし、２層または４層以上の量子井戸構造であってもよい。

図示されるように、井戸層３８の基底準位Ｅ_０が最も低く、ｎ型第２クラッド層２５の基底準位Ｅ_２は、井戸層３８の基底準位Ｅ_０よりも高い。ｎ型第１クラッド層２４の基底準位Ｅ_１は、ｎ型第２クラッド層２５の基底準位Ｅ_２よりも高い。障壁層３６の基底準位は、ｎ型第２クラッド層２５の基底準位Ｅ_２よりも高く、ｎ型第１クラッド層２４の基底準位Ｅ_１と同程度である。障壁層３６の基底準位は、ｎ型第１クラッド層２４の基底準位Ｅ_１よりも高くてもよいし、低くてもよい。

つづいて、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図３は、半導体発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、基板２０を用意し、基板２０の第１主面２０ａの上にバッファ層２２およびｎ型第１クラッド層２４を順に形成する（Ｓ１０）。

基板２０は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板であり、ＡｌＧａＮ系半導体材料を形成するための成長基板である。例えば、サファイア基板の（０００１）面上にバッファ層２２が形成される。バッファ層２２は、例えば、高温成長させたＡｌＮ（ＨＴ−ＡｌＮ）層と、アンドープのＡｌＧａＮ（ｕ−ＡｌＧａＮ）層とを含む。ｎ型第１クラッド層２４は、ｎ型のＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

つづいて、ｎ型第１クラッド層２４の上にｎ型第２クラッド層２５を形成する（Ｓ１２）。ｎ型第２クラッド層２５は、ｎ型第１クラッド層２４よりも低ＡｌＮモル分率のｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、例えば、ｎ型第１クラッド層２４よりもＡｌＮモル分率が５％〜２５％程度低くなるように形成される。ｎ型第２クラッド層２５は、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

次に、ｎ型第２クラッド層２５の上に活性層２６を形成する（Ｓ１４）。例えば、ｎ型第２クラッド層２５の上に障壁層３６と井戸層３８とを順に積層させることにより、量子井戸構造を有する活性層２６が形成される。活性層２６は、ＡｌＧａＮ系半導体材料で形成され、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

次に、活性層２６の上にｐ型半導体層を形成する（Ｓ１６）。例えば、活性層２６の上に電子ブロック層２８を形成し、つづいて、ｐ型クラッド層３０を形成する。電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０は、ＡｌＮ系半導体材料またはＡｌＧａＮ系半導体材料で形成される層であり、ＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法などの周知のエピタキシャル成長法を用いて形成できる。

つづいて、ｎ側電極３２およびｐ側電極３４を形成する（Ｓ１８）。まず、ｐ型クラッド層３０の上にマスクを形成し、マスクが形成されていない露出領域の活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０を除去する。活性層２６、電子ブロック層２８およびｐ型クラッド層３０の除去は、プラズマエッチングにより行うことができる。ｎ型第１クラッド層２４の露出面上にｎ側電極３２を形成し、マスクを除去したｐ型クラッド層３０の上にｐ側電極３４を形成する。ｎ側電極３２およびｐ側電極３４は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成することができる。これにより、図１に示す半導体発光素子１０ができあがる。

本実施の形態によれば、ＡｌＮ層上に高ＡｌＮ組成のｎ型第１クラッド層２４を形成し、その上に低ＡｌＮ組成のｎ型第２クラッド層２５を形成することで、ｎ型第２クラッド層２５の結晶品質を高めることができる。その結果、活性層２６でのクラックの発生を抑制し、活性層２６の結晶品質を高めることができる。これにより、半導体発光素子１０の発光特性を向上させることができる。

本実施の形態によれば、ＡｌＮ組成の異なるｎ型第１クラッド層２４とｎ型第２クラッド層２５とを組み合わせることにより、ｎ型クラッド層のバルク抵抗の低減と結晶品質の向上とを両立させることができる。また、ｎ型第１クラッド層２４とｎ型第２クラッド層２５のＡｌＮ組成の差を小さして格子定数差を小さくすることで、ｎ型第１クラッド層２４の上に形成されるｎ型第２クラッド層２５の結晶品質をより高めることができる。

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１０…半導体発光素子、２２…バッファ層、２４…ｎ型第１クラッド層、２５…ｎ型第２クラッド層、２６…活性層。

Claims (5)

1. 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層上に設けられるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第１クラッド層と、
   前記ｎ型第１クラッド層上に設けられ、前記ｎ型第１クラッド層よりＡｌＮモル分率が低く、かつ、ＡｌＮモル分率が５０％以下であるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第２クラッド層と、
   前記ｎ型第２クラッド層上に設けられるＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層と、
   前記活性層上に設けられるｐ型半導体層と、を備え、
   前記活性層は、波長３００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成され、
   前記ｎ型第１クラッド層と前記ｎ型第２クラッド層のＡｌＮモル分率の差は、５％以上２５％以下であることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記活性層は、波長が３００ｎｍより大きく、３５５ｎｍ以下の紫外光を発するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記ｎ型第１クラッド層のＡｌＮモル分率は４０％以上であり、前記ｎ型第２クラッド層のＡｌＮモル分率は３０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ｎ型第２クラッド層は、前記ｎ型第１クラッド層よりも積層方向の厚さが大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層上にｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第１クラッド層を形成する工程と、
   前記ｎ型第１クラッド層上に、前記ｎ型第１クラッド層よりＡｌＮモル分率が低く、かつ、ＡｌＮモル分率が５０％以下であるｎ型ＡｌＧａＮ系半導体材料のｎ型第２クラッド層を形成する工程と、
   前記ｎ型第２クラッド層上にＡｌＧａＮ系半導体材料の活性層を形成する工程と、
   前記活性層上にｐ型半導体層を形成する工程と、を備え、
   前記活性層は、波長３００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の深紫外光を発するよう構成され、
   前記ｎ型第１クラッド層と前記ｎ型第２クラッド層のＡｌＮモル分率の差は、５％以上２５％以下であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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