JP6793815B2 - Iii族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
[1]基板上に、n型半導体層、発光層、p型電子ブロック層、AlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層およびp側反射電極をこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層からの中心発光波長は270nm以上330nm以下であり、
前記p型コンタクト層は前記p側反射電極と接し、かつ、前記p型コンタクト層の厚さが20nm以上80nm以下であり、
前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(1)を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記発光層からの中心発光波長は270nm以上310nm以下であり、
前記p型コンタクト層は前記p側反射電極と接し、かつ、前記p型コンタクト層の厚さが20nm以上80nm以下であり、
前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(1)を満たすことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記p型電子ブロック層上にAlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、
前記p型コンタクト層の直上にp側反射電極を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記発光層からの中心発光波長を270nm以上330nm以下とし、
前記p型コンタクト層形成工程において、前記p型コンタクト層の厚さを20nm以上80nm以下とし、さらに、前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(1)を満たすよう、前記p型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記p型電子ブロック層上にAlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、
前記p型コンタクト層の直上にp側反射電極を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記発光層からの中心発光波長を270nm以上310nm以下とし、
前記p型コンタクト層形成工程において、前記p型コンタクト層の厚さを20nm以上80nm以下とし、さらに、前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(1)を満たすよう、前記p型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
(実施形態:III族窒化物半導体発光素子100)
図1に示すように、本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子100は、基板10上に、n型半導体層30、発光層40、p型電子ブロック層60、AlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層70およびp側反射電極80をこの順に備える。そして、発光層40からの中心発光波長は270nm以上310nm以下である。さらに、p型コンタクト層70は、p側反射電極80と接し、かつ、p型コンタクト層70の厚さが20nm以上80nm以下であり、p型コンタクト層70のAl組成比xが下記式(2)を満たす。
基板10としては、発光層40による発光を透過することのできる基板を用いることが好ましく、例えばサファイア基板または単結晶AlN基板などを用いることができる。また、基板10として、サファイア基板の表面にアンドープのAlN層をエピタキシャル成長させたAlNテンプレート基板を用いてもよい。
n型半導体層30は基板10上に設けられる。n型半導体層30は、一般的なn型層とすることができ、例えばAlGaNよりなることができる。n型半導体層30には、n型のドーパントがドープされることでn型層として機能し、n型ドーパントの具体例として、Si,Ge,Sn,S,O,Ti,Zr等を挙げることができる。n型ドーパントのドーパント濃度は、n型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば1.0×1018atoms/cm3〜1.0×1020atoms/cm3とすることができる。また、n型半導体層30がAlGaNよりなる場合、そのAl組成比は、特に制限はなく、一般的な範囲とすることができる。また、n型半導体層30を単層または複数層から構成することもできる。
発光層40はn型半導体層30上に設けられる。また、本実施形態における発光層40は、当該発光層40による発光の中心発光波長が270nm以上310nm以下となるように設けられる。発光層40をAlGaNの単層構造により形成する場合、中心発光波長が270nm以上310nm以下となるよう、発光層40のAl組成比aを、0.29≦a≦0.55の範囲内から設定することができる。この場合、発光層40の組成はAlaGa1−aNと表すことができる。
p型電子ブロック層60は、発光層40上に設けられる。p型電子ブロック層60は電子を堰止めし、電子を発光層40(MQW構造の場合には井戸層41)内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。この目的のため、p型電子ブロック層60のAl組成比zを、0.5≦z≦0.95とすることが好ましい。なお、Al組成比zが0.5以上であれば、p型電子ブロック層60はIII族元素としてのAlとGaに対して5%以内の量のInを含んでいてもよい。ここで、発光層40が前述の障壁層42を有する多重量子構造である場合、Al組成比zは上記条件を満足しつつ、障壁層42のAl組成比bおよびp型コンタクト層70のAl組成比xよりも高くするものとする。すなわち、z>bであり、さらに、z>xである。ここで、p型電子ブロック層60のAl組成比zおよび障壁層42のAl組成比bの両者に関し、0<z−b≦0.55を満足することが好ましく、0.1≦z−b≦0.55を満足することがより好ましい。こうすることで、p型電子ブロック層60が井戸層41への電子の注入効率を確実に高めることができる。なお、p型電子ブロック層60は、AlGaN組成比が一定の単一層構造とすることが好ましい。
p型コンタクト層70は、p型電子ブロック層60上に設けられる。p型コンタクト層70は、この上に設けられるp側反射電極80とp型電子ブロック層60との間の接触抵抗を低減するための層である。なお、本明細書において、p型コンタクト層70がp側反射電極80と接するとは、p型コンタクト層70、p側反射電極80との間に、製造上不可避的な不純物以外の所期の構成が存在しないことを意味する。
p側反射電極80は、p型コンタクト層70上に接して設けられる。p側反射電極80は、発光層40からの発光を反射するよう、中心発光波長が270nm以上310nm以下の紫外光に対して高い反射率(例えば60%以上)を有する金属を用いる。このような反射率を有する金属として、例えば、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、およびこれらのいずれかを少なくとも含有する合金を用いることができる。これらの金属または合金であれば紫外光への反射率が高く、また、p型コンタクト層70と、p側反射電極80とで比較的良好なオーミック接触を取ることもできる。なお、反射率の観点では、これらの中でも、p側反射電極80がロジウム(Rh)を単体または合金の形態で含むことが好ましい。また、p側反射電極80の厚さ、形状およびサイズは、III族窒化物半導体発光素子100の形状およびサイズに応じて適宜選択することができ、例えばp側反射電極80の厚さを30〜45nmとすることができる。
図1に示すように、基板10と、n型半導体層30との間に、両者の格子定数の差に起因する歪みを緩和するためのバッファ層20を設けることも好ましい。バッファ層20は、AlNまたはAlGaNよりなることが好ましい。なお、基板10として前述のAlNテンプレート基板を用いる場合、AlNテンプレート基板の表面部のAlN層がバッファ層20に相当するが、当該AlN層上に、さらにバッファ層20としてAlGaN層を形成してもよい。
また、n型半導体層30の露出面上に設けられ得るn側電極90は、例えばTi含有膜およびこのTi含有膜上に形成されたAl含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚さ、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。n側電極90は、図1に示すような、n型半導体層30の露出面上への形成に限定されず、n型半導体層と電気的に接続していればよい。
なお、図1には図示しないが、発光層40と、p型電子ブロック層60との間に、p型電子ブロック層60のAl組成比zよりもAl組成比の高いIII族窒化物半導体層からなるガイド層を設けてもよい。ガイド層を設けることで、発光層40への正孔の注入を促進することができる。
次に、上述したIII族窒化物半導体発光素子100の製造方法の一実施形態を、図2を用いて説明する。本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子100の製造方法の一実施形態は、基板10上にn型半導体層30、発光層40およびp型電子ブロック層60を順次形成する工程(図2(A),(B))と、p型電子ブロック層60上にAlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層70を形成するp型コンタクト層形成工程(図2(C))と、p型コンタクト層70の直上にp側反射電極80を形成する工程(図2(D))と、を含む。また、発光層40からの中心発光波長を270nm以上310nm以下とする。そして、図2(C)に示すp型コンタクト層形成工程において、前記p型コンタクト層の厚さを20nm以上80nm以下とし、さらに、前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(2)を満たすよう、p型コンタクト層70を形成する。
上述の第1実施形態における発光層40からの中心発光波長は270nm以上310nm以下であったものの、本発明は、発光層からの中心発光波長が270nm以上330nm以下のIII族窒化物半導体発光素子にも適用可能である。すなわち、本発明の第2実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子100は、基板10上に、n型半導体層30、発光層40、p型電子ブロック層60、AlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層70およびp側反射電極80をこの順に備える。そして、発光層40からの中心発光波長は270nm以上330nm以下である。さらに、p型コンタクト層70は、p側反射電極80と接し、かつ、p型コンタクト層70の厚さが20nm以上80nm以下であり、p型コンタクト層70のAl組成比xが前述の式(2)を満たす。図1〜図3と重複する構成については、同一の符号を用い、重複する説明を省略する。したがって、前述の式(1),(2)におけるλpの数値範囲として、270≦λp≦330が適用される。
(発明例1)
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図2に示したフローチャートに従って、発明例1に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板(直径2インチ、厚さ:430μm、面方位:(0001))を用意した。次いで、MOCVD法により、上記サファイア基板上に中心膜厚0.60μm(平均膜厚0.61μm)のAlN層を成長させ、AlNテンプレート基板とした。その際、AlN層の成長温度は1300℃、チャンバ内の成長圧力は10Torrであり、V/III比が163となるようにアンモニアガスとTMAガスの成長ガス流量を設定した。なお、AlN層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機(ナノスペックM6100A;ナノメトリックス社製)を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計25箇所の膜厚を測定した。
発明例1におけるp型コンタクト層のAl組成比を0.46に変えた以外は、発明例1と同様にして、発明例2に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。また、SIMS分析の結果、発明例2のp型コンタクト層においても、p型電子ブロック層側の厚さ45nm部分(領域71)のMg濃度は1×1020atoms/cm3であり、第2工程によりMgを高濃度とした残り5nm部分(高濃度領域72)のMg濃度は3×1020atom/cm3であった
発明例1におけるp型コンタクト層のAl組成比を0.41に変えた以外は、発明例1と同様にして、発明例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
発明例1におけるp型コンタクト層のAl組成比を0(すなわち、GaN)に変え、さらに厚さを150nmに変えた以外は、発明例1と同様にして、従来例1に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
発明例1におけるp型コンタクト層のAl組成比を0.62に変えた以外は、発明例1と同様にして、発明例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
発明例1におけるp型コンタクト層のAl組成比を0.35に変えた以外は、発明例1と同様にして、発明例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
発明例2における井戸層をAl0.29Ga0.71Nに、障壁層をAl0.43Ga0.57Nに変えた以外は、発明例2と同様にして、比較例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
比較例3におけるp型コンタクト層のAl組成比を0.39に変えた以外は、比較例3と同様にして、発明例4に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
比較例3におけるp型コンタクト層のAl組成比を0.23に変えた以外は、比較例3と同様にして、発明例5に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
比較例3におけるp型コンタクト層のAl組成比を0に変えた以外は、比較例3と同様にして、従来例2に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
発明例1〜3、従来例1および比較例1〜2から得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて20mAの電流を流したときの順方向電圧Vfおよび積分球による発光出力Poを測定し、それぞれ3個の試料の測定結果の平均値を求めた。発明例1〜5、従来例1,2および比較例1〜3について、結果を表2に併せて示す。なお、光ファイバ分光器によって発明例1〜3、従来例1および比較例1〜2の中心発光波長を測定したところ、いずれも280nmであった。また、発明例4,5、従来例2および比較例3の中心発光波長を測定したところ、いずれも310nmであった。
各発明例、従来例および比較例のサンプルに対して、上記評価1と同様にまず20mAで通電して発光出力を測り、次いで100mAで3秒間通電した後、再び20mAで通電して発光出力を測り、初期の発光出力に対する発光出力の変化を測定した。100mAで3秒間通電した後の発光出力が初期の発光出力の半分以下にまで下がったもの、すなわち頓死が発生するサンプル数を確認した。頓死の発生率の結果を表2に併せて示す。また、III族窒化物半導体発光素子の中心発光波長λpとp型コンタクト層のAl組成比xとの対応関係を示すグラフを図4に示す。図4のグラフ中、p型コンタクト層のAl組成比が実線で囲まれた領域内にあれば、頓死が発生しないことが確認された。
(比較例4)
発明例1において、厚さ50nmのAl0.56Ga0.44Nからなるp型コンタクト層を形成したのち、さらに厚さ10nmのp型GaN層を形成し、p型GaN層表面に発明例1と同じRhからなるp側反射電極を形成した。ただし、比較例4では発明例1のAl0.56Ga0.44Nからなるp型コンタクト層の形成における第2工程は行っていない。その他の条件は、発明例1と同様にして、比較例4に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した
発明例2において、p型コンタクト層の形成における第2工程を行わなかった以外は、発明例2と同様にして、発明例6に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。p型コンタクト層の厚さは50nmであり、SIMS分析の結果、p型コンタクト層のMg濃度は1×1020atoms/cm3であった。
比較例4、発明例6から得られた半導体発光素子に定電流電圧電源を用いて、実験例1と同様にして順方向電圧Vfおよび積分球による発光出力Poを測定した。また、頓死の発生状況も、実験例1と同様にして確認した。実験例1の発明例1,2および従来例1と併せて、結果を表3に示す。
(発明例7)
実験例1の発明例1における表1に記載の各層の層構造を、中心発光波長が330nmとなるよう、下記表4のとおりに変更した以外は、発明例1と同様にして発明例7に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。なお、p型コンタクト層のAl組成0.27は、式(2)における上限値に該当する。
p型コンタクト層のAl組成xを0.11とした以外は、発明例7と同様にして発明例8に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。なお、p型コンタクト層のAl組成0.11は、式(2)における下限値である。
p型コンタクト層のAl組成xを0とした以外は、発明例7と同様にして従来例3に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
発明例7、8および従来例3から得られた半導体発光素子のそれぞれに対し、実験例1における評価1と同様にして積分球による発光出力Poを測定した。また、頓死の発生状況についても、実験例1における評価2と同様にして確認した。下記の表5にそれらの結果を示す。また、前述の図4により示した結果と併せて、発明例7、8および従来例3の中心発光波長λpとp型コンタクト層のAl組成比xとの対応関係を図5のグラフに示す。
10A 基板の主面
20 バッファ層
30 n型半導体層
40 発光層
41 井戸層
42 障壁層
60 p型電子ブロック層
70 p型コンタクト層
71 p型電子ブロック層側の領域
72 p側反射電極と接する側の高濃度領域
80 n側電極
90 p側反射電極
100 III族窒化物半導体発光素子
Claims (6)
- 前記p型コンタクト層は、前記p側反射電極と接する側にMg濃度が3×1020atoms/cm3以上の高濃度領域を有する、請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 基板上にn型半導体層、発光層およびp型電子ブロック層を順次形成する工程と、
前記p型電子ブロック層上にAlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、
前記p型コンタクト層の直上にp側反射電極を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記発光層からの中心発光波長を270nm以上330nm以下とし、
前記p型コンタクト層形成工程において、前記p型コンタクト層の厚さを20nm以上80nm以下とし、さらに、前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(1)を満たすよう、前記p型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 基板上にn型半導体層、発光層およびp型電子ブロック層を順次形成する工程と、
前記p型電子ブロック層上にAlxGa1-xNよりなるp型コンタクト層を形成するp型コンタクト層形成工程と、
前記p型コンタクト層の直上にp側反射電極を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記発光層からの中心発光波長を270nm以上310nm以下とし、
前記p型コンタクト層形成工程において、前記p型コンタクト層の厚さを20nm以上80nm以下とし、さらに、前記p型コンタクト層のAl組成比xが下記式(1)を満たすよう、前記p型コンタクト層を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記p型コンタクト層形成工程は、III族原料ガス、V族原料ガスおよびMg原料ガスの供給によりAlxGa1-xNよりなる層を結晶成長させる第1工程と、該第1工程の終了直後に、前記III族原料ガスの流量を前記第1工程の流量の1/4以下に下げると共に、前記第1工程に引き続き前記V族原料ガスおよび前記Mg原料ガスを1分以上20分以下供給する第2工程とを含む、請求項4または5に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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