JP7434416B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
特許文献１には、窒化物半導体発光素子として、発光層に結晶欠陥の一種であるＶピットが形成されたものが開示されている。そして、特許文献１には、発光層にＶピットが形成されることで、非発光性の再結合の発生が抑制されて発光効率が向上する旨が記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子においては、発光出力を向上させる観点から改善の余地がある。
本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、発光出力の向上を図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、前記の目的を達成するため、ｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成され、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発する活性層と、前記活性層上に形成された電子ブロック層と、前記電子ブロック層上に形成されたｐ型半導体層と、を備え、前記活性層及び前記電子ブロック層には、ピットが形成されており、前記電子ブロック層の上面における前記ピットの密度は、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２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、発光出力の向上を図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可能となる。
［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１乃至図３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。
本発明の実施の形態について、図１乃至図３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。
（窒化物半導体発光素子１）
図１は、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。
図１は、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。
発光素子１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を構成するものである。本形態において、発光素子１は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオードを構成するものである。特に、本形態の発光素子１は、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発する。発光素子１は、例えば殺菌（例えば空気浄化、浄水等）、医療（例えば光線治療、計測・分析等）、ＵＶキュアリング等の分野において用いることができる。
発光素子１は、基板２上に、バッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７、及びｐ型半導体層８を順次備える。また、発光素子１は、ｎ型半導体層４上に設けられたｎ側電極１１と、ｐ型半導体層８上に設けられたｐ側電極１２とを備える。
発光素子１を構成する半導体としては、例えば、ＡｌａＧａｂＩｎ１－ａ－ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）にて表される２～４元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いることができる。本形態においては、発光素子１を構成する半導体として、ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）にて表される２元系又は３元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いている。これらのＩＩＩ族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置き換えてもよい。また、窒素の一部をリン（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２は、活性層６が発する光を透過する材料からなる。基板２は、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板である。基板２の上面は、ｃ面である。このｃ面は、オフ角を有するものであってもよい。また、基板２として、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板等を用いてもよい。
バッファ層３は、基板２上に形成されている。本形態において、バッファ層３は、窒化アルミニウムにより形成されている。なお、基板２が窒化アルミニウム基板又は窒化アルミニウムガリウム基板である場合、バッファ層３は必ずしも設けなくてもよい。また、バッファ層３は、窒化アルミニウムからなる層の上に形成された、アンドープのＡｌｐＧａ１－ｐＮ（０≦ｐ≦１）からなる層を含んでいてもよい。
ｎ型半導体層４は、バッファ層３上に形成されている。ｎ型半導体層４は、例えば、ｎ型不純物がドープされたＡｌｑＧａ１－ｑＮ（０≦ｑ≦１）により形成されたｎ型クラッド層である。本形態において、ｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。ｎ型半導体層４以外の、ｎ型不純物を含む半導体層においても同様である。なお、ｎ型不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型半導体層４のＡｌ組成比（ＡｌＮモル分率ともいう）ｑは、例えば５０％以上とすることができる。特に、後述するように活性層６が複数の井戸層６２１，６２２を有する多重量子井戸構造である場合、ｎ型半導体層４のＡｌ組成比ｑを５０％以上とすることで、ｎ型半導体層４がコヒーレント成長し、発光出力が向上する。ｎ型半導体層４は、例えば１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有する。ｎ型半導体層４は、単層でもよく、多層構造でもよい。
組成傾斜層５は、ｎ型半導体層４上に形成されている。組成傾斜層５は、ＡｌｒＧａ１－ｒＮ（０≦ｒ≦１）からなる。組成傾斜層５の上下方向の各位置におけるＡｌ組成比は、上側の位置程大きくなっている。なお、組成傾斜層５は、例えば上下方向の極一部の領域（例えば組成傾斜層５の上下方向の全体の５％以下の領域）に、上側に向かうにつれてＡｌ組成比が大きくならない領域を含んでいてもよい。
組成傾斜層５は、その下端部のＡｌ組成比が、組成傾斜層５の下側に隣接するｎ型半導体層４の上端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。また、組成傾斜層５は、その上端部のＡｌ組成比が、組成傾斜層５の上側に隣接する障壁層６１の下端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。組成傾斜層５の膜厚は、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。
図２は、ピット１０付近を拡大した発光素子１の模式的な端面図である。なお、図１においてはピットの図示を省略している。組成傾斜層５は、ピット１０の起点となるトリガ層を兼ねている。トリガ層は、シリコンを高濃度に含む層である。ｎ型半導体層４側から伝播される転位Ｄが存在する箇所に、所定濃度以上のシリコン源が供給されることで、トリガ層の母相の成長モードが変わり、転位Ｄを起点としたピット１０が形成されるものと考えられる。ピット１０の詳細は後述する。
トリガ層のシリコン濃度は、ｎ型半導体層４に存在する転位Ｄの密度、及び電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の目標密度（すなわち７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下）に基づき調整され得る。例えば、トリガ層のシリコン濃度は、５．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。トリガ層の膜厚は、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。ピット１０の詳細については、後述する。
活性層６は、トリガ層としての組成傾斜層５上に形成されている。本形態の活性層６は、複数の井戸層６２１，６２２を有する多重量子井戸構造である。活性層６は、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発することができるよう、バンドギャップが調整されている。本形態のように、活性層６が多重量子井戸構造である場合、発光出力の向上の観点から、活性層６が発する紫外光の中心波長は、２５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、２６０ｎｍ以上２９０ｎｍ以下がより好ましい。本形態において、活性層６は、障壁層６１と井戸層６２１，６２２とを３つずつ有し、障壁層６１と井戸層６２１，６２２とが交互に積層されている。活性層６においては、下端に障壁層６１が位置しており、上端に井戸層６２２が位置している。
各障壁層６１は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０＜ｓ≦１）により形成されている。各障壁層６１のＡｌ組成比は、例えば７５％以上９５％以下である。また、各障壁層６１の膜厚は、例えば２ｎｍ以上１２ｎｍ以下である。
井戸層６２１，６２２は、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０＜ｔ＜１）により形成されている。各井戸層６２１，６２２のＡｌ組成比ｔは、障壁層６１のＡｌ組成比ｓよりも小さい（すなわちｔ＜ｓ）。
３つの井戸層６２１，６２２は、最も下側に配された井戸層である最下井戸層６２１と、最下井戸層６２１以外の２つの井戸層である上側井戸層６２２とで構成が異なっている。例えば、最下井戸層６２１の膜厚は、２つの上側井戸層６２２のそれぞれの膜厚よりも１ｎｍ以上大きく、かつ、最下井戸層６２１のＡｌ組成比は、２つの上側井戸層６２２のそれぞれのＡｌ組成比よりも２％以上大きい。本形態において、上側井戸層６２２は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下の膜厚を有するとともに２５％以上４５％以下のＡｌ組成比を有し、最下井戸層６２１は、４ｎｍ以上６ｎｍ以下の膜厚を有するとともに３５％以上５５％以下のＡｌ組成比を有する。最下井戸層６２１の膜厚と各上側井戸層６２２との膜厚の差は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることができる。
最下井戸層６２１のＡｌ組成比を、上側井戸層６２２のＡｌ組成比よりも大きくすることにより、最下井戸層６２１の結晶性が向上する。これは、最下井戸層６２１とｎ型半導体層４とのＡｌ組成比の差が小さくなるためである。最下井戸層６２１の結晶性が向上することにより、最下井戸層６２１から上側に形成される活性層６の各層の結晶性も向上する。これにより、活性層６におけるキャリアの移動度が向上し、発光出力が向上する。かかる効果は、最下井戸層６２１の膜厚が大きくなるほど顕著であるが、発光素子１全体の電気抵抗値が増加することを抑制する観点から最下井戸層６２１の膜厚は所定値以下となるよう設計される。なお、複数の井戸層６２１，６２２は、例えば下側の井戸層６２１，６２２ほどＡｌ組成比が大きくなるよう構成されていてもよい。
また、最下井戸層６２１には、ｎ型不純物としてのシリコンが含まれている。これによっても、活性層６中におけるピット１０の形成が誘発され得る。最下井戸層６２１のシリコン濃度は、例えば１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。なお、上側井戸層６２２にもシリコン等のｎ型不純物が含まれていてもよいが、複数の井戸層６２１，６２２のうち、最下井戸層６２１のシリコン濃度が最も高いことが好ましい。
本形態において、活性層６は、井戸層６２１，６２２が３つの多重量子井戸構造である例を示したが、これに限られず、井戸層が２つ又は４つ以上である多重量子井戸構造であってもよい。活性層６を多重量子井戸構造とする場合は、発光出力向上の観点から、井戸層を２つ又は３つとすることが好ましい。また、活性層６は、井戸層を１つのみ有する単一量子井戸構造であってもよい。
電子ブロック層７は、活性層６上に形成されている。電子ブロック層７は、活性層６からｐ型半導体層８側へ電子がリークするオーバーフロー現象の発生を抑制すること（以後、電子ブロック効果ともいう）によって活性層６への電子注入効率を向上させる役割を有する。電子ブロック層７は、下側から順に、第１層７１と第２層７２とを積層した積層構造を有する。
第１層７１は、活性層６上に設けられている。第１層７１は、例えばＡｌｕＧａ１－ｕＮ（０＜ｕ≦１）からなる。第１層７１のＡｌ組成比ｕは、例えば９０％以上である。第１層７１の膜厚は、例えば０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。
第２層７２は、例えばＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ＜１）からなる。第２層７２のＡｌ組成比ｖは、第１層７１のＡｌ組成比ｔよりも小さく（すなわちｖ＜ｔ）、例えば７０％以上９０％以下である。第２層７２の膜厚は、第１層７１の膜厚よりも大きく、例えば１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
Ａｌ組成比が大きい半導体層ほど電気抵抗値が大きくなるため、Ａｌ組成比が比較的高い第１層７１の膜厚を大きくし過ぎると発光素子１の全体の電気抵抗値の過度な上昇を招く。そのため、第１層７１の膜厚はある程度小さくすることが好ましい。一方、第１層７１の膜厚を小さくすると、トンネル効果によって電子が第１層７１を下側から上側にすり抜ける確率が増大し得る。そこで、本形態の発光素子１においては、第１層７１上に第２層７２を形成することで、電子ブロック層７の全体を電子がすり抜けることを抑制している。
第１層７１及び第２層７２のそれぞれは、アンドープの層、ｎ型不純物を含有する層、ｐ型不純物を含有する層、又はｎ型不純物及びｐ型不純物の双方を含有する層とすることができる。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができるが、マグネシウム以外にも、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）又は炭素（Ｃ）等を用いてもよい。他のｐ型不純物を含む半導体層においても同様である。各電子ブロック層７が不純物を含有する場合において、各電子ブロック層７が含有する不純物は、各電子ブロック層７の全体に含まれていてもよいし、各電子ブロック層７の一部に含まれていてもよい。また、電子ブロック層７は、単層にて形成されていてもよいし、３層以上にて形成されていてもよい。
ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７上に形成されている。本形態において、ｐ型半導体層８は、ｐ型コンタクト層からなる。ｐ型コンタクト層は、後述するｐ側電極１２が接続された層であり、ｐ型不純物が高濃度にドープされたＡｌｗＧａ１－ｗＮ（０≦ｗ≦１）により形成されている。ｐ型コンタクト層としてのｐ型半導体層８は、ｐ側電極１２とのオーミックコンタクトを実現すべくＡｌ組成比が低くなるよう構成されており、かかる観点からｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成することが好ましい。
ｎ側電極１１は、ｎ型半導体層４における活性層６から上側に露出した露出面４１に形成されている。ｎ側電極１１は、例えば、ｎ型半導体層４の上にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム、チタン、金（Ａｕ）が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｎ側電極１１は、活性層６が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。
ｐ側電極１２は、ｐ型半導体層８の上面に形成されている。ｐ側電極１２は、例えば、ｐ型半導体層８の上にニッケル（Ｎｉ）、金が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｐ側電極１２は、活性層６が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。
発光素子１は、図示しないパッケージ基板にフリップチップ実装されて使用され得る。すなわち、発光素子１は、上下方向におけるｎ側電極１１及びｐ側電極１２が設けられた側をパッケージ基板側に向け、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２のそれぞれが、金バンプ等を介してパッケージ基板に実装される。フリップチップ実装された発光素子１は、基板２側（すなわち下側）から光が取り出される。なお、これに限られず、発光素子は、ワイヤボンディング等によりパッケージ基板に実装されてもよい。また、本形態において、発光素子１は、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２の双方が発光素子１の上側に設けられた、いわゆる横型の発光素子としたが、これに限られず、縦型の発光素子であってもよい。縦型の発光素子は、ｎ側電極とｐ側電極とによって活性層がサンドイッチされた発光素子である。なお、発光素子を縦型とする場合、基板及びバッファ層は、レーザーリフトオフ等により除去することが好ましい。
次に、図２及び図３を用いて、活性層６及び電子ブロック層７に形成されるピット１０について説明する。図３は、電子ブロック層７の上面７ａ（すなわち第２層７２の上面）のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）画像である。なお、図３は、後述の実施例１における、電子ブロック層７の上面７ａのＡＦＭ画像でもある。
図２に示すごとく、ピット１０は、ｎ型半導体層４側から伝播される転位Ｄを起点として発生する結晶欠陥の一種である。図２においては、ピット１０が組成傾斜層５（すなわちトリガ層）、活性層６、電子ブロック層７にて発生した例を示している。すなわち、図２に示すピット１０は、組成傾斜層５から電子ブロック層７の上面７ａまで形成されている。ピット１０は、組成傾斜層５の成長時において、ｎ型半導体層４側から伝播した転位Ｄが存在する箇所に、所定濃度以上のシリコン源が供給されることによって、組成傾斜層５の母相の成長モードが変わり、形成されるものと考えられる。ピット１０は、組成傾斜層５の上面の一部が凹み、さらにこの上の活性層６、第１層７１及び第２層７２のそれぞれが組成傾斜層５の上面の凹みに沿って凹むことで形成される。電子ブロック層７の上面７ａまで形成されたピット１０の厚みＴは、例えば１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。ピット１０の厚みＴとは、ピット１０の起点位置から、電子ブロック層７の上面７ａまでの上下方向の長さを意味する。
図３から分かるように、電子ブロック層７の上面７ａにピット１０が点在している。電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下となることで、発光素子１の発光出力が向上する。また、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度は、１．０×１０９個／ｃｍ２以下をさらに満たすことで、発光出力を一層向上させやすくなる。ピットとしては、例えば図２に示すピット１０とは異なり、活性層６にて終端するような比較的小さいサイズのものも存在し得るが、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度は、活性層６にて終端するようなピットは考慮せず、電子ブロック層７の上面７ａまで形成されたピット１０の密度を意味している。ピット１０が電子ブロック層７の上面７ａまで形成されることにより、ｐ型半導体層８から活性層６へ、ピット１０を介して正孔（ホール）が供給されやすくなる。ただし、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が大き過ぎても発光出力の低下を招く。そこで、前述のごとく、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下、好ましくは１．０×１０９個／ｃｍ２以下となることで、発光出力が向上する。
各半導体層におけるピット１０を構成する部分は、上下方向に平行な断面が略Ｖ字状となるよう凹んでいる。そして、電子ブロック層７の上面７ａを見たときに見えるピット１０の凹面１０１は、上下方向に平行な断面が略Ｖ字状となり、全体として、下側の位置程小さくなる略錐体形状（例えば略円錐形、略多角錐形、楕円錐形）又は略錐台形状を呈している。このように、凹面１０１の断面形状がＶ字状となるピット１０は、Ｖピットと呼ばれている。凹面１０１の形状としては、断面Ｖ字状の他、円柱状又は多角柱状となり得る。そして、電子ブロック層７の上面７ａにおいて、ピット１０の直径Ｌは、１００ｎｍ以下、より具体的には２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下となり得る。なお、ピット１０の凹面１０１が多角錐等の円錐以外の形状を有する場合、直径Ｌは、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の形状を外接円等で円形に近似したときの直径とすることができる。ピット１０の凹面１０１の内側には、ｐ型半導体層８の一部が充填されている。なお、図２に示す例においては、ピット１０が組成傾斜層５から形成された例を示したが、シリコン濃度が高い最下井戸層６２１から電子ブロック層７の上面７ａまでピット１０が形成される場合もあり得る。
（窒化物半導体発光素子１の製造方法）
次に、本形態の発光素子１の製造方法の一例につき説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、バッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次エピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に各層が形成される。各層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。
次に、本形態の発光素子１の製造方法の一例につき説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、バッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次エピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に各層が形成される。各層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。
組成傾斜層５を形成するにあたっては、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下となるよう、チャンバへのシリコン源の供給量が調整される。その他、各層をエピタキシャル成長させるための成長温度、成長圧力、及び成長時間等の製造条件については、各層の構成に応じた一般的な条件とすることができる。
なお、ＭＯＣＶＤ法は、有機金属化学気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）と呼ばれることもある。また、基板２上に各層をエピタキシャル成長させるに際しては、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の他のエピタキシャル成長法を用いることも可能である。
円板状の基板２上に各層を形成した後、ｐ型半導体層８上の一部、すなわちｎ型半導体層４の露出面４１になる部分以外の部位にマスクを形成する。そして、マスクを形成していない領域を、ｐ型半導体層８の上面から上下方向のｎ型半導体層４の途中までエッチングにより除去する。これにより、ｎ型半導体層４に、上側に向かって露出する露出面４１が形成される。露出面４１の形成後、マスクを除去する。
次いで、ｎ型半導体層４の露出面４１上にｎ側電極１１を形成し、ｐ型半導体層８上にｐ側電極１２を形成する。ｎ側電極１１及びｐ側電極１２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してよい。以上により完成したものを、所望の寸法に切り分けることにより、１つのウエハから図１に示すような発光素子１が複数製造される。
（実施の形態の作用及び効果）
本形態において、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度は、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下である。それゆえ、ｐ型半導体層８から活性層６へ、ピット１０を介して正孔が供給されやすくなり、発光素子１の発光出力が向上する。さらに、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．０×１０９個／ｃｍ２以下をさらに満たすことで、発光素子１の発光出力の一層の向上を図ることができる。
本形態において、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度は、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下である。それゆえ、ｐ型半導体層８から活性層６へ、ピット１０を介して正孔が供給されやすくなり、発光素子１の発光出力が向上する。さらに、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．０×１０９個／ｃｍ２以下をさらに満たすことで、発光素子１の発光出力の一層の向上を図ることができる。
また、電子ブロック層７の上面７ａまで形成されたピット１０は、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚みＴを有する。また、電子ブロック層７の上面７ａまで形成されたピット１０は、電子ブロック層７の上面７ａの位置において、１００ｎｍ以下の直径Ｌを有する。ピット１０の構成がこれらの構成を満たすことで、高い発光出力の発光素子１が得られることを確認している。
また、ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７に接するｐ型コンタクト層である。それゆえ、ｐ側電極１２に接続されるｐ型コンタクト層から電子ブロック層７へ、ピット１０を介して正孔の移動が効率的に行われ、発光素子１の発光出力が向上する。
以上のごとく、本形態によれば、発光出力の向上を図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。
［実験例］
本実験例は、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度と、発光出力との関係を確認した例である。なお、実験例以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本実験例は、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度と、発光出力との関係を確認した例である。なお、実験例以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本実験例においては、実施の形態にて示した発光素子と基本構造を同じとし、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度を種々変更した複数のウエハに係る試料を準備した。各試料の構成を表１に示す。
表１に記載の各層の膜厚は、透過型電子顕微鏡によって測定したものである。また、表１に記載の各層のＡｌ組成比は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定したＡｌの２次イオン強度から推定した値である。表１における組成傾斜層の欄は、組成傾斜層の上下方向の各位置のＡｌ組成比が、下端から上端までにかけて、５５％から８５％まで変動していることを表している。また、表１における各層のＳｉ濃度（すなわちシリコン濃度）の欄において、表記「ＢＧ」は、バックグラウンドレベルを意味している。バックグラウンドレベルのシリコン濃度は、シリコンをドープしない場合に検出されるシリコン濃度である。
そして、各試料について、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度と、発光出力との関係を調べた。
ここで、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度の取得方法について説明する。まず、試料を電子ブロック層７まで形成した後、チャンバから取り出す。そして、電子ブロック層７の上面７ａの任意の３箇所の１μｍ四方の領域を、ＡＦＭにて撮影する。そして、３つのＡＦＭ画像のそれぞれからピット１０の密度を算出する。例えば、図３のように、１μｍ四方のＡＦＭ画像に４つのピット１０が確認された場合は、当該ＡＦＭ画像にて確認されるピット１０の密度は、４［個／μｍ２］＝４×１０８［個／ｃｍ２］と求まる。そして、３つのＡＦＭ画像のそれぞれから算出されたピット１０の密度に関して平均値をとり、これを電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度の観測結果とした。このような手法を各試料について行い、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度を算出した。なお、本実験例においては、各試料について、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度は、３つのＡＦＭ画像から観察されたピット１０の密度の平均値としたが、例えば４つ以上のＡＦＭ画像から観察されたピット１０の密度の平均値としてもよい。
前述のＡＦＭ画像の例として、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が、実施の形態にて示した数値範囲である７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下を満たしている２つの実施例１、２にかかるＡＦＭ画像と、当該数値範囲を満たしてない２つの比較例１、２にかかるＡＦＭ画像とを図３～図６に示す。図３は、実施例１に係る試料におけるＡＦＭ画像であり、図４は、実施例２に係る試料におけるＡＦＭ画像であり、図５は、比較例１に係る試料におけるＡＦＭ画像であり、図６は、比較例２に係る試料におけるＡＦＭ画像である。比較例１は、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が前述の数値範囲よりも大きい例であり、比較例２は、電子ブロック層７の上面７ａにピット１０が存在しない例である。
そして、各試料について電子ブロック層７の上面７ａの撮影が終わった後、各試料を再度チャンバに戻し、各試料の電子ブロック層７の上にｐ型半導体層８を再成長させ、各試料を完成させた。そして、オンウエハの状態の各試料に２０ｍＡの電流を流したときの発光出力を測定した。発光出力の測定は、各試料の下側（基板側）に設置した光検出器によって測定した。
結果を図７及び下記表２に示す。図７は、横軸が電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度を示しており、縦軸が発光出力を示している。表２においては、すべての試料のうちの実施例１、２及び比較例１、２の結果を発光波長とともに表している。なお、実施例１、２及び比較例１、２以外の試料における発光波長も、実施例１、２及び比較例１、２と同様に概ね２８０ｎｍ前後であった。また、ピット１０の存在が確認された実施例１、２及び比較例１において、ピット１０は、断面形状がＶ字状のＶピットであった。
図７から分かるように、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下を満たしている試料については、高い発光出力が得られることが分かる。一方、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下の範囲から外れた試料は、発光出力が低下しやすい傾向にあることが分かる。さらに、図７から、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．０×１０９個／ｃｍ２以下をさらに満たすことで、より発光出力を向上させやすいことが分かる。
なお、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が７．０×１０７個／ｃｍ２未満の試料については、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度の正確な算出が実際的に困難であった。電子ブロック層７の上面７ａに形成されたピット１０を観察するためには、１μｍ四方程度の小さい領域をＡＦＭ等にて拡大して観察する必要がある。しかしながら、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が７．０×１０７個／ｃｍ２未満のものは、電子ブロック層７の上面７ａの３箇所又はそれ以上の箇所をＡＦＭにて撮影してもピット１０が観察されないことが多い。そのため、電子ブロック層７の上面７ａにおけるピット１０の密度が０個／ｃｍ２超７．０×１０７個／ｃｍ２未満の試料については、ピット１０の密度の正確な算出が実際的に困難であった。
（実施の形態のまとめ）
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。
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］本発明の第１の実施態様は、ｎ型半導体層（４）と、前記ｎ型半導体層（４）上に形成され、紫外光を発する活性層（６）と、前記活性層（６）上に形成された電子ブロック層（７）と、前記電子ブロック層（７）上に形成されたｐ型半導体層（８）と、を備え、前記活性層（６）及び前記電子ブロック層（７）には、ピット（１０）が形成されており、前記電子ブロック層（７）の上面（７ａ）における前記ピット（１０）の密度は、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下である、窒化物半導体発光素子（１）である。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
［２］本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様において、前記電子ブロック層（７）の前記上面（７ａ）における前記ピット（１０）の密度が、１．０×１０９個／ｃｍ２以下をさらに満たすことである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が一層向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が一層向上する。
［３］本発明の第３の実施態様は、第１又は第２の実施態様において、前記電子ブロック層（７）の前記上面（７ａ）まで形成された前記ピット（１０）が、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚み（Ｔ）を有することである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
［４］本発明の第４の実施態様は、第１乃至第３のいずれか１つの実施態様において、前記電子ブロック層（７）の前記上面（７ａ）まで形成された前記ピット（１０）が、前記電子ブロック層（７）の前記上面（７ａ）の位置において、１００ｎｍ以下の直径（Ｌ）を有することである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
［５］本発明の第５の実施態様は、第１乃至第４のいずれか１つの実施態様において、前記ｐ型半導体層（８）が、前記電子ブロック層（７）に接するｐ型コンタクト層であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
これにより、窒化物半導体発光素子（１）の発光出力が向上する。
（付記）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
１…窒化物半導体発光素子
１０…ピット
４…ｎ型半導体層
６…活性層
７…電子ブロック層
７ａ…上面
８…ｐ型半導体層
Ｔ…ピットの厚み
１０…ピット
４…ｎ型半導体層
６…活性層
７…電子ブロック層
７ａ…上面
８…ｐ型半導体層
Ｔ…ピットの厚み
Claims (6)
- ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成され、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発する活性層と、
前記活性層上に形成された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成されたｐ型半導体層と、を備え、
前記活性層及び前記電子ブロック層には、ピットが形成されており、
前記電子ブロック層の上面における前記ピットの密度は、７．０×１０７個／ｃｍ２以上１．８×１０９個／ｃｍ２以下である、
窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層の前記上面における前記ピットの密度は、１．０×１０９個／ｃｍ２以下をさらに満たす、
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層の前記上面まで形成された前記ピットは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下の厚みを有する、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層の前記上面まで形成された前記ピットは、前記電子ブロック層の前記上面の位置において、１００ｎｍ以下の直径を有する、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記ｐ型半導体層は、前記電子ブロック層に接するｐ型コンタクト層である、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記電子ブロック層は、複数層からなる、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
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| Chung-Hsun Jang，Effect of Thickness of the p-AlGaN Electron Blocking Layer on the Improvement of ESD Characteristics in GaN-Based LEDs，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.20, NO.13，2008年07月01日，1142-1144 |
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