JPWO2011083551A1 - 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明による窒化物系半導体発光素子の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図6にp型窒化物半導体層4側から光を取り出すフェイスアップタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。図6では、図5と同じ構成要素については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略している。
図7にn型窒化物半導体層2側から光を取り出すフェイスダウンタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。図7では、図5と同じ構成要素については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略している。
図8は、本発明による実施形態の変形例である縦型タイプの半導体装置を示す断面図である。図8では、図5と同じ機能を有する構成要素については同じ符号を用いている。
本発明では、電流拡散層7のドナー不純物濃度と膜厚は、シミュレーション結果に基づいて算出された。以下、そのシミュレーション結果を説明する。
図14はc面基板上に形成されたn型GaN層と、m面GaN基板上に形成されたn型GaN層のフォトルミネッセンスの測定結果を示すグラフである。いずれのn型GaN層も有機金属気相成長法を用いて成長させ、ドナー不純物としてはシリコンを用いた。n型GaN層のドナー不純物濃度はいずれも1×1019cm-3、厚さはいずれも100nmとした。図14における横軸は波長、縦軸は相対強度を示している。縦軸の値は、GaNバンド端近傍の発光強度で規格化した値である。
次に、実施形態の製造方法について、図5、図6、図7、図8を用いて説明する。
m面を主面とするn型GaN基板1の表面を洗浄し、MOCVD装置内に配置させる。洗浄には、有機溶剤を用いた洗浄、弗酸を用いた洗浄などを行う。
n型GaN基板1を、MOCVD装置内にてn型窒化物半導体層2の結晶成長温度である750℃〜1150℃まで加熱する。その際、窒素原料ガス、III族元素原料ガス、ドナー不純物ガスを供給しながら、基板温度を上昇させることが好ましい。このように原料ガスを供給しながら基板温度を上昇させることによって、電流拡散層7を形成することができる。
n型窒化物半導体層2、活性層3そしてp型窒化物半導体層4からなる半導体積層構造16の結晶成長は、750℃〜1150℃の範囲で行う。これらの窒化物半導体層はAlxGayInzN層(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶であればよく、TMA、TMG、TMIの各三族原料ガスの供給比で組成を制御することができる。
ここからは、横型フェイスアップタイプ、横型フェイスダウンタイプ、縦型タイプの各構造に分けて、製造方法を説明する。
半導体積層構造16の結晶成長後、リソグラフィおよび塩素ガスを用いたドライエッチングによって、活性層3およびp型窒化物半導体層4の一部を除去し、n型窒化物半導体層2の一部を露出させる凹部20(図5に示す)を形成する。
半導体積層構造16の結晶成長後、リソグラフィおよび塩素ガスを用いたドライエッチングによって、活性層3およびp型窒化物半導体層4の一部を除去し、n型窒化物半導体層の一部を露出させる凹部20(図5に示す)を形成する。
半導体積層構造16の結晶成長後、p型窒化物半導体層4の表面に、Agを用いたp側電極5を形成する。Agの表面に、さらにW、Ti、Au、Snなどの金属、あるいはこれらの積層構造を形成してもよい。p側電極5は蒸着法によって作製できる。
本実施形態では、m面GaN基板にかえて、m面から1°以上の角度で傾斜させた面を主面とするGaN基板(オフ基板)を用いている。本実施形態では、図5(または図8)のGaN基板1にかえて、その表面がm面から1°以上の角度で傾斜したGaN基板を用いている。このようなGaN基板は、一般に「オフ基板」と称される。オフ基板は、単結晶インゴットから基板をスライスし、基板の表面を研磨する工程で、意図的にm面から特定方位に傾斜した面を主面とするように作製され得る。このGaN基板上に、図5または図8に示す半導体積層構造16を形成すると、それぞれの層の表面(主面)もm面から傾斜する。
以下、本発明の方法を用いてm面n型GaN基板上に製作した窒化物系半導体発光素子を説明する。
2 n型窒化物半導体層
3 活性層
4 p型窒化物半導体層
5 p側電極
6 n側電極
7 電流拡散層
8 AlGaN層
9 パッド電極
10 実装基板
11 配線
12 Auワイヤ
13 反射膜
14 Auバンプ
15 伝導性支持基板
16 窒化物半導体層
31 窒化物系半導体発光素子
32 窒化物系半導体発光素子
101 基板
102 バッファ層
103 下地n型GaN層
104 n型コンタクト層
105 活性層
106 p型クラッド層
107 p型コンタクト層
108 透光性電極
109 n側パッド電極
110 p側パッド電極
111 多層膜窒化物半導体層
111a 第1窒化物半導体層
111b 第2窒化物半導体層
201 基板
202 バッファ層
203 n型窒化物半導体層
203a n型GaN層
203b un−GaN層
204 活性層
205 p型窒化物半導体層
206 p側電極
207 p側ボンディングパッド
208 n側電極
以下、本発明による窒化物系半導体発光素子の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図6にp型窒化物半導体層4側から光を取り出すフェイスアップタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。図6では、図5と同じ構成要素については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略している。
図7にn型窒化物半導体層2側から光を取り出すフェイスダウンタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。図7では、図5と同じ構成要素については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略している。
図8は、本発明による実施形態の変形例である縦型タイプの半導体装置を示す断面図である。図8では、図5と同じ機能を有する構成要素については同じ符号を用いている。
本発明では、電流拡散層7のドナー不純物濃度と膜厚は、シミュレーション結果に基づいて算出された。以下、そのシミュレーション結果を説明する。
図14はc面基板上に形成されたn型GaN層と、m面GaN基板上に形成されたn型GaN層のフォトルミネッセンスの測定結果を示すグラフである。いずれのn型GaN層も有機金属気相成長法を用いて成長させ、ドナー不純物としてはシリコンを用いた。n型GaN層のドナー不純物濃度はいずれも1×1019cm-3、厚さはいずれも100nmとした。図14における横軸は波長、縦軸は相対強度を示している。縦軸の値は、GaNバンド端近傍の発光強度で規格化した値である。
次に、実施形態の製造方法について、図5、図6、図7、図8を用いて説明する。
m面を主面とするn型GaN基板1の表面を洗浄し、MOCVD装置内に配置させる。洗浄には、有機溶剤を用いた洗浄、弗酸を用いた洗浄などを行う。
n型GaN基板1を、MOCVD装置内にてn型窒化物半導体層2の結晶成長温度である750℃〜1150℃まで加熱する。その際、窒素原料ガス、III族元素原料ガス、ドナー不純物ガスを供給しながら、基板温度を上昇させることが好ましい。このように原料ガスを供給しながら基板温度を上昇させることによって、電流拡散層7を形成することができる。
n型窒化物半導体層2、活性層3そしてp型窒化物半導体層4からなる半導体積層構造16の結晶成長は、750℃〜1150℃の範囲で行う。これらの窒化物半導体層はAlxGayInzN層(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)結晶であればよく、TMA、TMG、TMIの各三族原料ガスの供給比で組成を制御することができる。
ここからは、横型フェイスアップタイプ、横型フェイスダウンタイプ、縦型タイプの各構造に分けて、製造方法を説明する。
半導体積層構造16の結晶成長後、リソグラフィおよび塩素ガスを用いたドライエッチングによって、活性層3およびp型窒化物半導体層4の一部を除去し、n型窒化物半導体層2の一部を露出させる凹部20(図5に示す)を形成する。
半導体積層構造16の結晶成長後、リソグラフィおよび塩素ガスを用いたドライエッチングによって、活性層3およびp型窒化物半導体層4の一部を除去し、n型窒化物半導体層の一部を露出させる凹部20(図5に示す)を形成する。
半導体積層構造16の結晶成長後、p型窒化物半導体層4の表面に、Agを用いたp側電極5を形成する。Agの表面に、さらにW、Ti、Au、Snなどの金属、あるいはこれらの積層構造を形成してもよい。p側電極5は蒸着法によって作製できる。
本実施形態では、m面GaN基板にかえて、m面から1°以上の角度で傾斜させた面を主面とするGaN基板(オフ基板)を用いている。本実施形態では、図5(または図8)のGaN基板1にかえて、その表面がm面から1°以上の角度で傾斜したGaN基板を用いている。このようなGaN基板は、一般に「オフ基板」と称される。オフ基板は、単結晶インゴットから基板をスライスし、基板の表面を研磨する工程で、意図的にm面から特定方位に傾斜した面を主面とするように作製され得る。このGaN基板上に、図5または図8に示す半導体積層構造16を形成すると、それぞれの層の表面(主面)もm面から傾斜する。
以下、本発明の方法を用いてm面n型GaN基板上に製作した窒化物系半導体発光素子を説明する。
2 n型窒化物半導体層
3 活性層
4 p型窒化物半導体層
5 p側電極
6 n側電極
7 電流拡散層
8 AlGaN層
9 パッド電極
10 実装基板
11 配線
12 Auワイヤ
13 反射膜
14 Auバンプ
15 伝導性支持基板
16 窒化物半導体層
31 窒化物系半導体発光素子
32 窒化物系半導体発光素子
101 基板
102 バッファ層
103 下地n型GaN層
104 n型コンタクト層
105 活性層
106 p型クラッド層
107 p型コンタクト層
108 透光性電極
109 n側パッド電極
110 p側パッド電極
111 多層膜窒化物半導体層
111a 第1窒化物半導体層
111b 第2窒化物半導体層
201 基板
202 バッファ層
203 n型窒化物半導体層
203a n型GaN層
203b un−GaN層
204 活性層
205 p型窒化物半導体層
206 p側電極
207 p側ボンディングパッド
208 n側電極
Claims (14)
- m面を主面とするn型GaN基板と、
前記n型GaN基板の上に接触して形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層の上に形成されたn型窒化物半導体層と、
前記n型窒化物半導体層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成されたp型窒化物半導体層と、
前記p型窒化物半導体層に接するように形成されたp側電極と、
前記n型GaN基板または前記n型窒化物半導体層に接するように形成されたn側電極とを備える窒化物系半導体発光素子であって、
前記n型窒化物半導体層のドナー不純物濃度が5×1018cm-3以下であり、かつ、
前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、前記n型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の10倍以上である窒化物系半導体発光素子。 - 前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、n型GaN基板のドナー不純物濃度の10倍以上である請求項1に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層のドナー不純物濃度は、5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である請求項1または2に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記n型GaN基板のドナー不純物濃度が、5×1018cm-3以下である請求項2に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層の厚さが25nm以上2μm以下である請求項1から4のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層のドナー不純物は、シリコンである請求項1から5のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層のドナー不純物として、さらに、酸素がドーピングされている請求項1から6のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層のドナー不純物濃度は、1×1019cm-3以上である請求項1から7のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層、前記n型窒化物半導体層、前記活性層、前記p型窒化物半導体層からなる半導体積層構造の一部には凹部が形成され、
前記凹部の側面には、前記p型窒化物半導体層および前記活性層が露出し、前記凹部の上面には前記n型窒化物半導体層が露出し、前記n型窒化物半導体層の上に前記n側電極が設けられている、請求項1に記載の窒化物系半導体発光素子。 - 前記n型GaN基板において前記電流拡散層と接する面と対向する面上に前記n側電極が設けられている、請求項2に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層の厚さが25nm以上400nm以下である請求項5に記載の窒化物系半導体発光素子。
- n型GaN基板と、
前記n型GaN基板の上に接触して形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層上に配置されたn型窒化物半導体層と、
前記n型窒化物半導体層上の活性層と、
前記活性層上のp型窒化物半導体層と、
前記p型窒化物半導体層に接するように形成されたp側電極と、
前記n型GaN基板または前記n型窒化物半導体層に接するように形成されたn側電極とを備える窒化物系半導体発光素子であって、
前記n型窒化物半導体層のドナー不純物濃度が5×1018cm-3以下であり、
前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、前記n型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の10倍以上であり、かつ、
前記n型GaN基板における主面の法線とm面の法線とが形成する角度が1°以上5°以下である、窒化物系半導体発光素子。 - 前記n型GaN基板は、c軸方向またはa軸方向に傾斜している半導体層である請求項12に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記電流拡散層は、原料ガスを供給しながら基板温度を上昇させることによって形成する請求項1から13のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
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