JP7101470B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

近年、紫外光を出力する発光ダイオードやレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている（特許文献１参照。）。

特開２０１５－１６２６３１号公報

特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に配置された第１のｎ型窒化物半導体層と、前記第１のｎ型窒化物半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層の上面に配置され、前記ｐ型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第２のｎ型窒化物半導体層と、前記第２のｎ型窒化物半導体層上に配置され、前記ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｐ側電極と、前記第１のｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｎ側電極とを備える。

特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子のトンネルジャンクションは、ｐ型ＧａＮ層の上にｐ型ＩｎＧａＮを形成するように構成されたｐ型窒化物半導体層とｎ型ＩｎＧａＮ層の上にｎ型ＧａＮ層を形成した第２のｎ型窒化物半導体層とで形成されている。

ところで、波長２００ｎｍから３６０ｎｍで発光するＡｌＧａＮ系の紫外線発光素子では、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＮ系材料を用いることが好ましい。例えば、ｎ型窒化物半導体層や活性層のバリア層には、Ａｌ組成比が０．４０以上のＡｌＧａＮ系材料を用いることができる。

しかしながら、このような高いＡｌ組成比を有するＡｌＧａｎ系の半導体材料上に、格子定数の大きなＧａＮやＩｎＧａＮを含むトンネルジャンクションを形成する場合、トンネルジャンクションの圧縮歪が大きくなり、格子緩和によって結晶品質の低下を招く虞があった。

そこで、本発明は、トンネルジャンクションの圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、Ａｌ組成比が０．４０以上のｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層上に位置して、前記ｐ型クラッド層にｎ型の半導体を含むｎ型半導体層をトンネル接合させるトンネルジャンクションとを含み、中心波長が２００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体発光素子であって、前記トンネルジャンクションは、該トンネルジャンクションの圧縮歪を補償する歪補償層を含み、前記トンネルジャンクションは、前記ｐ型クラッド層側に位置するｐ型の半導体を含むｐ型層と、前記ｎ型半導体層側に位置するｎ型の半導体を含むｎ型層とを含み、前記歪補償層は、前記ｐ型層及び前記ｎ型層の間に設けられており、前記歪補償層は、前記ｐ型層のＡｌ組成比及び前記ｎ型層のＡｌ組成比よりも大きいＡｌ組成比を有する材料により形成されており、前記歪補償層は、前記ｐ型層及び前記ｎ型層に生じる圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みを有し、前記歪補償層は、５ｎｍ以下の厚さを有し、前記ｐ型層は、１０ｎｍ以下の厚さを有し、前記ｎ型層は、１０ｎｍ以下の厚さを有し、前記ｐ型層、前記ｎ型層及び前記歪補償層のそれぞれは、前記ｐ型クラッド層に対する格子不整率に厚さを乗じた値が、３０％・ｎｍ以下である、窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、トンネルジャンクションの圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、ＧａＮ及びＡｌＮの格子定数及び格子不整率を示す図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。本実施の形態では、特に、中心波長が２００ｎｍ～３６０ｎｍの深紫外光を発する発光素子１を例に挙げて説明する。

図１に示すように、発光素子１は、基板１０と、バッファ層２０と、ｎ型クラッド層３０と、中間層４０と、多重量子井戸層を含む活性層５０と、電子ブロック層６０と、ｐ型クラッド層７０と、トンネルジャンクション８０と、ｎ型半導体層９０と、カソード電極１００と、アノード電極１２０とを含んで構成されている。

発光素子１を構成する半導体には、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置き換えても良く、また、Ｎの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。

基板１０は、発光素子１が発する深紫外光に対して透光性を有している。基板１０は、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）を含むサファイア基板である。基板１０には、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の他に、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板を用いてもよい。

バッファ層２０は、基板１０上に形成されている。バッファ層２０は、ＡｌＮ層２２と、ＡｌＮ層２２上に形成されるアンドープのｕ－Ａｌ_ｐＧａ_１－ｐＮ層２４（０≦ｐ≦１）を含んで構成されている。また、基板１０及びバッファ層２０は、下地構造部２を構成する。なお、基板１０がＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板である場合、バッファ層２０は必ずしも設けなくてもよい。

ｎ型クラッド層３０は、下地構造部２上に形成されている。ｎ型クラッド層３０は、ｎ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｎ型ＡｌＧａＮ」ともいう。）により形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌ_ｑＧａ_１－ｑＮ層（０≦ｑ≦１）である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、炭素（Ｃ）等を用いてもよい。ｎ型クラッド層３０は、１μｍ～３μｍ程度の厚さを有し、例えば、２μｍ程度の厚さを有している。ｎ型クラッド層３０は、単層でもよく、多層構造でもよい。

中間層４０は、ｎ型クラッド層３０上に形成されている。中間層４０は、少なくともシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）および窒素（Ｎ）を含む層であり、例えば、不純物としてＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層である。

多重量子井戸層を含む活性層５０は、中間層４０上に形成されている。活性層５０は、Ａｌ_ｒＧａ_１－ｒＮを含んで構成される多重量子井戸層の中間層４０側の障壁層５２ａ、及び後述する電子ブロック層６０側の障壁層５２ｃを含む３層の障壁層５２ａ，５２ｂ，５２ｃとＡｌ_ｓＧａ_１－ｓＮを含んで構成される３層の井戸層５４ａ，５４ｂ，５４ｃ（０≦ｒ≦１、０≦ｓ≦１、ｒ＞ｓ）とを交互に積層した多重量子井戸層を含む層である。活性層５０は、波長３６０ｎｍ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ている。なお、本実施の形態では、活性層５０に障壁層５２及び井戸層５４は各３層ずつ設けたが、必ずしも３層に限定されるものではなく、２層以下でもよく、４層以上でもよい。

電子ブロック層６０は、活性層５０上に形成されている。電子ブロック層６０は、ＡｌＮにより形成されている。電子ブロック層６０は、１ｎｍ～１０ｎｍ程度の厚さを有している。なお、電子ブロック層６０は、ｐ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｐ型ＡｌＧａＮ」ともいう。）により形成された層を含んでもよい。また、電子ブロック層６０は、必ずしもｐ型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。

ｐ型クラッド層７０は、電子ブロック層６０上に形成されている。ｐ型クラッド層７０は、ｐ型ＡｌＧａＮにより形成される層であり、例えば、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌ_ｔＧａ_1-ｔＮ層（０≦ｔ≦１）である。なお、ｐ型の不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いてもよい。

トンネルジャンクション８０は、ｐ型クラッド層７０上に形成されている。トンネルジャンクション８０は、ｐ型クラッド層７０とｎ型半導体層９０とをトンネル接合させるものである。すなわち、トンネルジャンクション８０は、ｐ型半導体層の価電子帯の電子をｎ型半導体層の伝導帯へトンネルさせ、ｐ型半導体層の価電子帯に正孔を発生させるものである。

トンネルジャンクション８０は、ｐ型クラッド層７０側に位置するｐ型層８２と、ｎ型半導体層９０側に位置するｎ型層８４と、ｐ型層８２及びｎ型層８４の間に配置された歪補償層８６とを含んで構成されている。

ｐ型層８２は、ｐ型の半導体を含む層であり、例えば、Ｍｇ等の不純物が高濃度にドープされたｐ型のＧａＮ（以下、「ｐＧａＮ」ともいう。）により形成されたｐＧａＮ層である。

なお、ｐ型層８２を形成する半導体材料は、必ずしもｐＧａＮに限定されるものではなく、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮや、ｐ型のＩｎＧａＮ、あるいはｐ型のＡｌＩｎＧａＮでもよい。ｐ型層８２にＡｌが含まれる場合、Ａｌ組成比は、好ましくは、０．２以下である。ｐ型層８２にＩｎが含まれる場合、Ｉｎ組成比は、好ましくは、０．２以下である。換言すれば、ｐ型層８２は、ｐ型のＡｌ_aＩｎ_ｂＧａ_{１－a－ｂ}Ｎ（０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．２）により形成された層である。

ｐ型層８２の厚さは、好ましくは、１０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以下である。

ｎ型層８４は、ｎ型の半導体を含む層であり、例えば、Ｓｉ等の不純物がドープされたｎ型のＧａＮ（以下、「ｎＧａＮ」ともいう。）により形成されたｎＧａＮ層である。

なお、ｎ型層８４を形成する半導体材料は、必ずしもｎＧａＮに限定されるものではなく、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮや、ｎ型のＩｎＧａＮ、あるいはｎ型のＡｌＩｎＧａＮでもよい。ｎ型層８４にＡｌが含まれる場合、Ａｌ組成比は、好ましくは、０．２以下である。ｎ型層８４にＩｎが含まれる場合、Ｉｎ組成比は、好ましくは、０．２以下である。換言すれば、ｎ型層８４は、ｎ型のＡｌ_ｃＩｎ_ｄＧａ_{１－ｃ－ｄ}Ｎ（０≦ｃ≦０．２、０≦ｄ≦０．２）により形成された層である。

ｎ型層８４の厚さは、好ましくは、１０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以下である。

歪補償層８６は、ｐ型層８２を形成する材料のＡｌ組成比及びｎ型層８４を形成する材料のＡｌ組成比よりも大きいＡｌ組成比を有する材料により形成されている。歪補償層８６は、例えば、ＡｌＮにより形成された層である。

なお、歪補償層８６は、ＡｌＮにより形成されたものに限られず、例えば、ＡｌＧａＮにより形成されているものでもよい。この場合、歪補償層８６を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、０．８以上である。換言すれば、歪補償層８６は、Ａｌ_ＺＧａ_１－ＺＮ（０．８≦ｚ≦１．０）により形成された層である。

歪補償層８６の厚さは、好ましくは、５ｎｍ以下、より好ましくは、３ｎｍ以下である。

次に、トンネルジャンクション８０を構成する各層の格子定数と格子不整率について図２を参照して説明する。図２は、ＧａＮ及びＡｌＮの格子定数及び格子不整率を示す図である。図２に示すように、ｐ型層８２を構成するｐＧａＮの格子定数及びｎ型層８４を構成するｎＧａＮの格子定数は、０．３１８ｎｍ程度であるのに対し、ＡｌＮの格子定数は、０．３１１ｎｍである。また、ｐ型クラッド層７０を構成するＡｌ_ｔＧａ_1-ｔＮ（０≦ｔ≦１）の格子定数は、０．３１１ｎｍから０．３１８ｎｍであり、特に、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの格子定数は、０．３１４５である。

格子不整率とは、歪の度合いを示す歪量をいう。図２に一例として、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎとの間に生じる格子不整率を示す。ｐＧａＮ及びｎＧａＮとＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎとの間に生じる格子不整率は、＋１．１１（（０．３１８－０．３１４５）／０．３１４５＝０．０１１１）である。ＡｌＮとＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎとの間に生じる格子不整率は、－１．１１（（０．３１１－０．３１４５）／０．３１４５＝－１．１１１）である。ここで、「＋」は、圧縮方向の歪みを示し、「－」は、圧縮方向の歪みを相殺する引張方向の歪みを示している。

上述のように、ｐ型層８２及びｎ型層８４には、圧縮方向の歪みが生じている。格子不整率に厚さ（ｎｍ）を乗じた値が所定の値（例えば、３０％・ｎｍ）を超えると、結晶品質が低下する虞がある。

これに対して、歪補償層８６には、圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みが生じている。そのため、ｐ型層８２及びｎ型層８４の間にこの歪補償層８６を配置することにより、ｐ型層８２及びｎ型層８４に生じている圧縮方向の歪みを相殺することができる。すなわち、歪補償層８６は、トンネルジャンクション８０に生じる圧縮歪を補償する役割を担う層である。

トンネルジャンクション８０上には、ｎ型の半導体を含むｎ型半導体層９０が形成されている。ｎ型半導体層９０は、ｎ型ＡｌＧａＮにより形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌ_ｕＧａ_１－ｕＮ層（０≦ｕ≦１）である。好ましくは、ｎ型半導体層９０を構成するｎ型ＡｌＧａＮの組成は、ｎ型クラッド層３０を構成するｎ型ＡｌＧａＮの組成と略等しい、すなわち、ｑ＝ｕである。

カソード電極１００は、ｎ型クラッド層３０の一部の領域上に形成されている。カソード電極１００は、例えば、ｎ型クラッド層３０の上に順にチタン（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ている。

アノード電極１２０は、ｎ型半導体層９０上に形成されている。アノード電極１２０は、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／金（Ａｕ）が順に積層された多層膜で形成されている。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る発光素子１では、圧縮歪を補償する歪補償層８６を含むトンネルジャンクション８０を備えている。これにより、高い発光効率を実現しつつ、トンネルジャンクション８０の歪みを抑制することにより結晶品質の低下を抑制することが可能となる。また、結晶品質の低下が抑制されることにより、転位の発生が抑制されることが期待できる。さらに、トンネルジャンクション８０の歪みが抑制されることにより、活性層へのホールの注入効率の低下が抑制され、その結果、低駆動電圧で駆動できるようになることが期待される。またさらに、トンネルジャンクション８０の歪みが抑制されることにより、トンネルジャンクション８０での電圧上昇が抑制され、その結果、発光素子１の寿命を長きできることが期待できる。

（実施形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］ｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層（７０）と、前記ｐ型クラッド層（７０）上に位置して、前記ｐ型クラッド層（７０）にｎ型の半導体を含むｎ型半導体層（９０）をトンネル接合させるトンネルジャンクション（８０）とを含む窒化物半導体発光素子（１）であって、前記トンネルジャンクション（８０）は、該トンネルジャンクション（８０）の圧縮歪を補償する歪補償層（８６）を含む、窒化物半導体発光素子（１）。
［２］前記トンネルジャンクション（８０）は、前記ｐ型クラッド層（７０）側に位置するｐ型の半導体を含むｐ型層（８２）と、前記ｎ型半導体層（９０）側に位置するｎ型の半導体を含むｎ型層（８４）とを含み、前記歪補償層（８６）は、前記ｐ型層（８２）及びｎ型層（８４）の間に設けられている、前記［１］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［３］前記歪補償層（８６）は、前記ｐ型層（８２）及びｎ型層（８４）に生じる圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みを有する、前記［２］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［４］前記歪補償層（８６）は、前記ｐ型半導体のＡｌ組成比及び前記ｎ型半導体のＡｌ組成比よりも大きいＡｌ組成比を有する材料により形成されている、前記［２］又は［３］に記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［５］前記ｐ型層（８２）は、ｐ型のＡｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１－ａ―ｂ}Ｎ（０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．２）により形成されている、前記［１］から［４］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［６］前記ｎ型層（８４）は、ｎ型のＡｌ_ｃＩｎ_ｄＧａ_{１－ｃ―ｄ}Ｎ（０≦ｃ≦０．２、０≦ｄ≦０．２）により形成されている、前記［１］から［５］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［７］前記歪補償層（８６）は、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＮ（０．８≦ｚ≦１．０）により形成されている、前記［１］から［６］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［８］前記歪補償層（８６）は、５ｎｍ以下の厚さを有する、前記［１］から［７］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［９］前記ｐ型層（８２）は、１０ｎｍ以下の厚さを有する、前記［１］から［８］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。
［１０］前記ｎ型層（８４）は、１０ｎｍ以下の厚さを有する、前記［１］から［９］のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子（１）。

１…窒化物半導体発光素子（発光素子）
２…下地構造部
１０…基板
２０…バッファ層
２２…ＡｌＮ層
２４…ｕ－Ａｌ_ｐＧａ_１－ｐＮ層
３０…ｎ型クラッド層
４０ 中間層
５０…活性層
５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ…障壁層
５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ…井戸層
６０…電子ブロック層
７０…ｐ型クラッド層
８０…トンネルジャンクション
８２…ｐ型層
８４…ｎ型層
８６…歪補償層
９０…ｎ型半導体層
１００…カソード電極
１２０…アノード電極

Claims (4)

1. Ａｌ組成比が０．４０以上の ｐ型ＡｌＧａＮによって形成されたｐ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層上に位置して、前記ｐ型クラッド層にｎ型の半導体を含むｎ型半導体層をトンネル接合させるトンネルジャンクションと
   を含み、中心波長が２００ｎｍ以上３６０ｎｍ以下の光を発する窒化物半導体発光素子であって、
   前記トンネルジャンクションは、該トンネルジャンクションの圧縮歪を補償する歪補償層を含み、
   前記トンネルジャンクションは、前記ｐ型クラッド層側に位置するｐ型の半導体を含むｐ型層と、前記ｎ型半導体層側に位置するｎ型の半導体を含むｎ型層とを含み、
   前記歪補償層は、前記ｐ型層及び前記ｎ型層の間に設けられており、
   前記歪補償層は、前記ｐ型層のＡｌ組成比及び前記ｎ型層のＡｌ組成比よりも大きいＡｌ組成比を有する材料により形成されており、
   前記歪補償層は、前記ｐ型層及び前記ｎ型層に生じる圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みを有し、
   前記歪補償層は、５ｎｍ以下の厚さを有し、
   前記ｐ型層は、１０ｎｍ以下の厚さを有し、
   前記ｎ型層は、１０ｎｍ以下の厚さを有し、
   前記ｐ型層、前記ｎ型層及び前記歪補償層のそれぞれは、前記ｐ型クラッド層に対する格子不整率に厚さを乗じた値が、３０％・ｎｍ以下である、
   窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｐ型層は、ｐ型のＡｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１－ａ―ｂ}Ｎ（０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．２）により形成されている、
   請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記ｎ型層は、ｎ型のＡｌ_ｃＩｎ_ｄＧａ_{１－ｃ―ｄ}Ｎ（０≦ｃ≦０．２、０≦ｄ≦０．２）により形成されている、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記歪補償層は、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＮ（０．８≦ｚ≦１．０）により形成されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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