JPWO2019106931A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

半導体発光素子は、窒化物半導体の層構造を備え、前記層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、中間層とを含む。前記中間層は、活性層を有し、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の間に設けられる。前記層構造は、少なくとも前記中間層のうち、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に残留ドナーを含む。前記中間層は、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に前記残留ドナーを補償する不純物を含む。そして、前記中間層は、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域における前記不純物の濃度が、前記ｐ型半導体層における前記不純物の濃度より高くなるように構成される。

Description

本技術は、ＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）といった半導体発光素子に関する。
半導体レーザは、多くの分野において利用されている。例えば光の三原色である赤、緑、青色光を発生する半導体レーザが全て実現されたことにより、小型、低消費電力といった特長を活かし、ＴＶやプロジェクタといった映像表示装置への応用が期待される。
特許文献１に記載の半導体光デバイスは、ｎ型を有する第１化合物半導体層、活性層、および、ｐ型を有する第２化合物半導体層から成る積層構造体を備える。活性層は、少なくとも３層の障壁層、および、障壁層によって挟まれた井戸層を有する。それら障壁層のバンドギャップエネルギー値が適切に設計されることにより、電子オーバーフロー抑制が抑制される（例えば、特許文献１参照。）。
特開2016-219587号公報
現在、特に、青、緑色光を発生する窒化物半導体を利用した半導体発光素子のさらなる出力や効率の向上が求められている。
本開示の目的は、窒化物半導体を利用する半導体発光素子の特性を向上させることにある。
一形態に係る半導体発光素子は、窒化物半導体の層構造を備え、前記層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、中間層とを含む。
前記中間層は、活性層を有し、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の間に設けられる。
前記層構造は、少なくとも前記中間層のうち、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に残留ドナーを含む。
前記中間層は、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に前記残留ドナーを補償する不純物を含む。そして、前記中間層は、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域における前記不純物の濃度が、前記ｐ型半導体層における前記不純物の濃度より高くなるように構成される。
中間層が、残留ドナーを抑制する不純物を含むので、ｐ型半導体層から注入されるホールが、活性層とｐ型半導体層との間の領域を介して活性層に到達しやすくなる。これにより、光変換効率が向上する。
前記ｐ型半導体層は、アクセプタとしてマグネシウムを含む層であってもよい。
前記不純物は、炭素、鉄、および亜鉛のうち少なくとも１つであってもよい。
前記不純物は、２族および４族の元素のうち少なくとも１つであってもよい。
前記半導体発光素子は、前記層構造が形成される基板をさらに具備してもよい。
前記基板の主構成材料は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、サファイア、またはシリコンであってもよい。
前記基板は、窒化ガリウムで構成され、前記基板の前記層構造が形成される主面の面方位は、ｃおよびｍ軸の両方に対して傾きを有していてもよい。
以上、本技術によれば、窒化物半導体を利用する半導体発光素子の特性を向上させることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
図１Ａ、Ｂは、活性層近傍の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り、ホールの注入が妨げられる様子を示す。 図２は、本実施形態に係る半導体発光素子の層構造のうち、活性層近傍のエネルギーバンドを模式的に示す図である。 図３は、一実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的な断面図である。 図４は、窒化物半導体の結晶構造を示し、例えば結晶の主面が半極性面の１つである形態を示す。 図５は、ｐ側ガイド層における残留ドナーレベルを変えた場合の、ｐ側ガイド層の厚さおよび動作電圧をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図６は、図５のシミュレーションにおいて、電気-光変換効率のシミュレーション結果を示すグラフである。
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
１．本技術の概要
窒化物系の材料、特にAlGaInN系材料では、マグネシウム（Mg）が実用化されている唯一のアクセプタのドーパント材料である。Mgは、活性化率が低く、実際のキャリア密度の100倍程度をドーピングする必要があると考えられる。Mgは光吸収源にもなるため、そのドープ量が多いと発光効率が低下するおそれがある。
Mgによる光吸収を抑えるには、Mgドープ層と、光場（エネルギーバンド図での光強度分布）との重なりを減らすことが必要である。
具体的な一つの方法として、活性層から、ある一定以上の物理的な距離をあけてMgのドープ層を形成することが考えられる。この場合、半導体発光素子の製造時において、活性層からMgドープ層（つまりｐ型半導体層）までの間の領域では、アクセプタを意図的にドープしないことにより、当該領域に中間層が形成される。かかる中間層には残留ドナーが存在するため、この中間層はｎ型になる。
Mgドープ層の位置を活性層から物理的に一定以上離した場合に、動作電圧が高くなる。この動作電圧の上昇は、ｐ型側からのホールの注入が阻害されるために起こる。ホールの注入の容易性は、半導体層において電極側から活性層までの距離と、残留ドナーの濃度に大きく依存する。残留ドナーは、ドナー性の残留不純物や窒素空孔が原因と考えられており、基板の種類、基板の面方位、成長条件等に依存して、大きく変動する。
図１Ａ、Ｂは、活性層近傍の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り、ホールの注入が妨げられる様子を示す。
半導体発光素子は、図１Ａ、Ｂに示すように層構造を備える。層構造は、左側から、ｎ型半導体層１０と、活性層２１を有する中間層２０と、ｐ型半導体層３０とを含む。図１Ａ、Ｂに示す例では、活性層２１は井戸層（例えば複数）を有する。複数の井戸層２１ａが設けられる場合、それらの間に障壁層２１ｂが設けられる。
ｐ型半導体層３０は、MgがドープされたMgドープ層として構成される。活性層２１とそのｐ型半導体層３０との間の領域を、以下では説明の便宜上、「ｐ側ガイド層２３」と称する。このｐ側ガイド層２３を含む中間層２０は、上述したように残留ドナーの存在により、あくまでｎ型である。この残留ドナーを図中、「+」で示す。
なお、ドナー（残留ドナー）は１つの自由電子を放出する。自由電子は、バイアス状態にしたがって自由に動くことができる。その結果、ｐ側ガイド層２３では、自由電子を放出したドナーの電気極性は「+」になる。
図１Ａは、ｐ側ガイド層２３の距離（活性層２１からｐ型半導体層３０までの距離）が小さいため、ｐ型半導体層３０と光場との重なりがあり、Mgによる光の吸収が起こることを示す。
図１Ｂは、上記ｐ側ガイド層２３の距離を、図１Ａのそれに比べ大きく一定以上とした場合、ほとんどのホールが活性層２１まで届かないことを示す。具体的には、ホールが、ｐ型半導体層３０から活性層２１の井戸層に到達するためには、上記ｐ側ガイド層２３に含まれる+極性の残留ドナーの反発に抗して、このｐ側ガイド層２３を乗り越える必要がある。この場合、大きなバイアスを必要とし、これが動作電圧を上げる要因となると考えられる。
これらを解決する手段として、残留ドナーの濃度を下げることが有効である。一般には、残留ドナーの起源としては、上記したように、残留酸素、窒素空孔等が挙げられる。しかし、これらを制御するには、成長条件の大幅な変更や、成長方法自体の改善が必要となり、満足できる特性を得られるような改善は困難である。
本技術は、残留ドナーの濃度を下げる方法として、直接その起源を除く代わりに、残留ドナーの機能を抑制する不純物をドープする方法を採用する。以下では、残留ドナーの機能を抑制することを、「残留ドナーを補償する」と言う場合もある。
２．実施形態
２．１）半導体発光素子の構成
残留ドナーを補償する不純物（以下、便宜的に「補償不純物」と言う）としては、炭素（C）、鉄（Fe）、および亜鉛（Zn）等のうち少なくとも１つが用いられる。
あるいは、上記C、Fe、Znのうち少なくとも１つに代えて（または加えて）、２族元素として、例えばベリリウム（Be）、カルシウム（Ca）、およびバリウム（Ba）のうち少なくとも１つが用いられてもよい。あるいは、それらの元素のうち少なくとも１つに代えて（または加えて）、４族元素として、例えばチタン（Ti）、およびジルコニウム（Zr）のうち少なくとも１つが用いられてもよい。
図２は、本実施形態に係る半導体発光素子の層構造のうち、活性層２１近傍のエネルギーバンドを模式的に示す図である。
本実施形態では、ｐ側ガイド層２３の補償不純物の濃度を高める方法として、次のような方法がある。半導体発光素子の製造時において、その補償対象の領域（ｐ側ガイド層２３）について、結晶の成長条件の変更や、追加の原料ガスの添加を行う。これにより、ｐ側ガイド層２３の補償不純物の濃度が、ｐ型半導体層３０のそれより高くなるように、ｐ型半導体層３０および中間層２０が形成される。
ｐ型半導体層３０は、補償不純物を含まない場合もあり得る。つまりその場合、ｐ型半導体層３０における補償不純物の濃度は0となる。ただし、半導体発光素子の製造時において、中間層２０への補償不純物のドープ時に、製造主の意図しない微量の補償不純物が、ｐ型半導体層３０にもドープされる場合がある。
補償不純物がドープされることにより、ｐ側ガイド層２３の残留ドナーの機能が抑制される。すなわち、ホールに反発力を与える+極性を持つ残留ドナーの濃度が低下する。その結果、図２に示すように、ｐ側ガイド層２３が厚く、つまり活性層２１からｐ型半導体層３０が一定以上離れて設けられていても、ｐ型半導体層３０から活性層２１へのホールが注入されやすくなる。
図３は、一実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子１は、例えば窒化物系の半導体レーザ（ＬＤ）である。ここでの窒化物半導体とは、窒素（N）元素を含み、またアルミニウム（Al）、ガリウム（Ga）、インジウム(In)のうち少なくとも１つの元素を含んで構成された化合物半導体である。
なお、ＬＤは、基板５０上に半導体層１００を備え、半導体層１００を一対の共振器端面によって挟み込んだ構造となっており、端面光出射型の半導体レーザである。
図３に示すように、窒化物半導体のＬＤは、基板５０の第１主面５１側に半導体層１００が形成されてなる。半導体層１００は、基板５０側から、例えば第１クラッド層１２、第１ガイド層１４、活性層２１、第２ガイド層２３'、キャリアブロック層２５、第２クラッド層３０'、およびｐ-コンタクト層３２が順に形成されて構成されている。第２ガイド層２３'は、上記ｐ側ガイド層２３に相当する。
本技術に係る「層構造」は、実質的には、上記第１クラッド層１２から第２クラッド層３０'（あるいはｐ-コンタクト層３２）までの構造に相当する。
基板５０の上記第１主面５１側の反対側である第２主面５２側には、第１電極層６１が形成されている。そしてｐ-コンタクト層３２の表面には第２電極層６２が形成されている。半導体層１００は、凸状のリッジ部３０ａを有する。第２クラッド層３０'上およびリッジ部３０ａの半導体層１００上には、絶縁膜４０が形成されている。
基板５０の主構成材料は、例えば、GaN、AlN、Al2O3（サファイア）、SiC、Si、またはZrOである。本実施形態の典型例はGaNである。
GaN基板の結晶の主面は、極性面、半極性面、非極性面のいずれでもよい。主面とは、結晶が成長する面である。極性とは、分極が起こり電界が生じる、つまりピエゾ効果が生じる程度を意味する。極性面ではピエゾ効果が生じやすく、非極性面では生じにくい。
極性面は、例えば面指数を用いて｛0,0,0,1｝、｛0,0,0,-1｝と表すことができる。半極性面は、例えば｛2,0,-2,1｝、｛1,0,-1,1｝、｛2,0,-2,-1｝、｛1,0,-1,-1｝と表すことができる。非極性面は、例えば｛1,1,-2,0｝、｛1,-1,0,0｝と表すことができる。ここで「-」は数字の上部のバーを表すものとする。
本技術の適用として効果が高いのは、｛2,0,-2,1｝を主面の結晶面とする場合である。図４に示すように、基板５０がGaNで構成される場合、｛2,0,-2,1｝の面方位は、ｃおよびｍ軸の両方に対して傾きを有する。具体的には、｛2,0,-2,1｝の面の傾きは、ｍ軸に対して75°である。
なお、「面方位（面に垂直な軸）が特定の軸に対して傾きを有する」とは、その面とその特定の軸とが非平行および非垂直であることを意味する。
第１クラッド層１２は、基板５０の第１主面５１上に形成されており、例えばｎ型導電性を有するGaN層、AlGaN層、およびAlGaInN層のうち少なくとも１層からなる。ｎ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばSiを用いることができる。第１クラッド層１２の膜厚は、例えば500nm以上3000nm以下である。
第１ガイド層１４は、第１クラッド層１２上に形成されており、例えばｎ型導電性を有するGaN層、InGaN層、およびAlGaInN層のうち少なくとも１層からなる。ｎ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばSiを用いることができる。または、第１ガイド層１４はノンドープ層であってもよい。第１ガイド層１４の膜厚は、例えば10nm以上500nm以下である。
活性層２１は、第１ガイド層１４上に、上述したように例えば井戸層および障壁層が積層されて形成されている。
井戸層は、例えばｎ型導電性を有するInGaN層からなる。ｎ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばSiを用いることができる。または、井戸層は、ノンドープ層でもよい。井戸層の膜厚は例えば1nm以上100nm以下である。本実施形態では、活性層２１で生成される光子波長は、例えば480nm以上550nm以下である。
障壁層は、例えばｎ型導電性を有するGaN層、InGaN層、AlGaN層、またはAlGaInN層からなる。ｎ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばSiを用いることができるし、または、障壁層はノンドープ層でもよい。障壁層の膜厚は例えば1nm以上100nm以下である。なお、障壁層のバンドギャップは井戸層内で最大となるバンドギャップ以上になるように形成されている。
井戸層と障壁層とは交互に隣接して設けられ、井戸層数ｍはｍ≧１を満足し、ｍ＝１の場合は障壁層は存在しない。本実施形態においてはｍ＝２（図２参照）である。
第２ガイド層２３'は、活性層２１上に形成されており、例えばｎ型導電性を有するGaN層、InGaN層、およびAlGaInN層のうち少なくとも１層からなる。第２ガイド層２３'の膜厚は、例えば10nm以上500nm以下である。ｎ型導電性が得られるためのドーパントは基本的には含まないが、微量であれば可能である。この場合、ドーパントして例えばSiを用いることができる。
第２ガイド層２３'は、実質的には、上述したように「活性層２１とそのｐ型半導体層３０との間の領域」に相当する。また、実質的には第２ガイド層２３'および活性層２１が、「中間層２０」に相当する。本技術の特徴として、第２ガイド層２３'の全部または一部に、上述の補償不純物を含み、その補償不純物の濃度が、キャリアブロック層２５および第２クラッド層３０'における当該補償不純物の濃度よりも高い。例えば補償不純物がCの場合、C2H2ガスの添加により、その濃度が制御される。
キャリアブロック層２５は、第２ガイド層２３'上に形成されており、例えばｐ型導電性を有するGaN層、AlGaN層、AlGaInN層のうち少なくとも１層からなる。ｐ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばMgを用いることができる。キャリアブロック層２５の膜厚は、例えば3nm以上100nm以下である。キャリアブロック層２５は、第２ガイド層２３'や第２クラッド層３０'内に配置することもできる。
第２クラッド層３０'は、キャリアブロック層２５上に形成されており、例えばｐ型導電性を有するGaN層、AlGaN層、AlGaInN層のうち少なくとも１層からなる。ｐ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばMgを用いることができる。第２クラッド層３０'の膜厚は、例えば100nm以上1000nm以下である。
ｐ-コンタクト層３２は、第２クラッド層３０'上に形成されており、例えばｐ型導電性を有するGaN層、InGaN層、AlGaN層、AlGaInN層のうち少なくとも１層からなる。ｐ型導電性が得られるためのドーパントとして例えばMgを用いることができる。またｐ-コンタクト層３２の膜厚は、例えば1nm以上100nm以下である。
キャリアブロック層２５、第２クラッド層３０'、およびｐ-コンタクト層３２は、ｐ型半導体層３０に相当する。
本実施形態では、半導体層１００の一側面において、ｐ-コンタクト層３２の表面から第２クラッド層３０'の中腹にかけての領域がエッチングで除去されることにより、凸状のリッジ部３０ａが形成される。なお、エッチングにより除去される領域は、第２ガイド層２３'やキャリアブロック層２５に達していてもよい。
リッジ部３０ａは、光の共振方向（図３において紙面垂直方向）に延伸して形成されており、その長さは例えば50μm以上3000μm以下である。また、共振方向および半導体積層方向に対し垂直方向におけるリッジ部３０ａの幅は、例えば0.5μm以上100μm以下である。
リッジ部３０ａの形成により露出した半導体層１００上には絶縁膜４０が形成されている。絶縁膜４０は、例えばSiO2からなり、またその膜厚は、例えば10nm以上500nm以下である。
基板５０の第２主面５２上に形成された第１電極層６１は、例えば基板５０に近い側から順にTiおよびAlで構成される。Ti層の膜厚は例えば5nm以上50nm以下、Al層の膜厚は例えば10nm以上300nm以下である。
ｐ-コンタクト層３２上に形成された第２電極層６２は、例えばｐ-コンタクト層３２に近い側から順にPdおよびPtで構成される。Pd層の膜厚は例えば5nm以上50nm以下、Pt層の膜厚は例えば10nm以上300nm以下である。
２．２）効果
以上のように、本実施形態では、中間層２０のうちの一部（例えば第２ガイド層２３'）が、残留ドナーを補償する不純物である補償不純物を含むので、ｐ型半導体層３０から注入されるホールが、活性層２１とｐ型半導体層３０との間の領域を介して活性層２１に到達しやすくなる。これにより、光変換効率（電気−光変換効率）が向上する。すなわち具体的には、動作電圧の上昇を抑制しつつ、活性層２１からｐ型半導体層３０までの距離を大きくできることで、ｐ型半導体層３０での光吸収を抑え、動作時の内部ロスを低減させることができる。その結果として、光変換効率の改善、出力の向上が可能となる。
図５は、ｐ側ガイド層２３における残留ドナーレベル（残留ドナー濃度）を変えた場合の、ｐ側ガイド層２３の厚さおよび動作電圧をシミュレーションした結果を示すグラフである。動作電圧は、0.8Aの一定電流を用いた場合を示す。例えば1×1017個/cm3の残留ドナーが補償されて、3×1016個/cm3に抑えられる場合、動作電圧が低減することがわかる。
また、図６は、図５のシミュレーションにおいて、電気／光変換効率のシミュレーション結果を示すグラフである。ｐ側ガイド層２３を厚くする（すなわちｐ型半導体層３０が活性層２１から遠くなる）ほど、ｐ型半導体層３０での光吸収が抑制されるが、電圧は上昇するため、トレードオフとなり、電気／光変換効率の最適ポイントが存在する。ｐ側ガイド層２３の残留ドナーレベルが抑制されるほど、その最適ポイントはｐ側ガイド層２３が厚い側にシフトして、電気／光変換効率の最高値が改善する。
図６より、ｐ側ガイド層２３の厚さの最適範囲の厚さは、60nm以上200nm以下、好ましくは80nm以上180nm以下、さらに好ましくは100nm以上160nm以下である。あるいはさらに好ましくは、120nm以上140nm以下である。
以上のように、本技術は、残留ドナーレベルが高い場合に特に有効である。基板５０の面方位によって、残留ドナーレベルが高くなる場合や、Si基板上のGaN成長のように異種の基板を用いて、ドナー性欠陥が多い場合等に有効となる。
３．変形例
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。例えば上記実施形態では、ＬＤを例に挙げたが、これに限られず、ＬＥＤ、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、半導体光増幅器等にも本技術を適用可能である。
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
ｎ型半導体層と、
ｐ型半導体層と、
活性層を有し、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の間に設けられた中間層と
を含む、窒化物半導体の層構造を備え、
前記層構造は、少なくとも前記中間層のうち、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に残留ドナーを含み、
前記中間層は、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に前記残留ドナーを補償する不純物を含み、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域における前記不純物の濃度が、前記ｐ型半導体層における前記不純物の濃度より高くなるように構成される
半導体発光素子。
（２）
前記（１）に記載の半導体発光素子であって、
前記ｐ型半導体層は、アクセプタとしてマグネシウムを含む層である
半導体発光素子。
（３）
前記（１）または（２）に記載の半導体発光素子であって、
前記不純物は、炭素、鉄、および亜鉛のうち少なくとも１つ
半導体発光素子。
（４）
前記（１）または（２）に記載の半導体発光素子であって、
前記不純物は、２族および４族の元素のうち少なくとも１つである
半導体発光素子。
（５）
前記（１）から（４）のいうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記層構造が形成される基板をさらに具備し、
前記基板の主構成材料は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、サファイア、またはシリコンである
半導体発光素子。
（６）
前記（５）に記載の半導体発光素子であって、
前記基板は、窒化ガリウムで構成され、
前記基板の前記層構造が形成される主面の面方位は、ｃおよびｍ軸の両方に対して傾きを有する
半導体発光素子。
１…半導体発光素子
１０…ｎ型半導体層
２０…中間層
２１…活性層
２３…ｐ側ガイド層
３０…ｐ型半導体層
５０…基板
１００…半導体層

Claims (6)

  1. ｎ型半導体層と、
    ｐ型半導体層と、
    活性層を有し、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の間に設けられた中間層と
    を含む、窒化物半導体の層構造を備え、
    前記層構造は、少なくとも前記中間層のうち、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に残留ドナーを含み、
    前記中間層は、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域に前記残留ドナーを補償する不純物を含み、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間の領域における前記不純物の濃度が、前記ｐ型半導体層における前記不純物の濃度より高くなるように構成される
    半導体発光素子。
  2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記ｐ型半導体層は、アクセプタとしてマグネシウムを含む層である
    半導体発光素子。
  3. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記不純物は、炭素、鉄、および亜鉛のうち少なくとも１つ
    半導体発光素子。
  4. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記不純物は、２族および４族の元素のうち少なくとも１つである
    半導体発光素子。
  5. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記層構造が形成される基板をさらに具備し、
    前記基板の主構成材料は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、サファイア、またはシリコンである
    半導体発光素子。
  6. 請求項５に記載の半導体発光素子であって、
    前記基板は、窒化ガリウムで構成され、
    前記基板の前記層構造が形成される主面の面方位は、ｃおよびｍ軸の両方に対して傾きを有する
    半導体発光素子。
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