WO2007086366A1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子 Download PDF

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WO2007086366A1
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nitride semiconductor
light emitting
gan
semiconductor layer
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Ken Nakahara
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Rohm Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor light-emitting device with increased light extraction efficiency.
  • Nitride semiconductors used in blue LEDs used as light sources for lighting, backlights, etc., LEDs used in multiple colors, LDs, etc. are difficult to manufacture Balta single crystals.
  • GaN is grown on a growth substrate such as SiC using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)!
  • a sapphire substrate is particularly used as a growth substrate because it is excellent in stability in a high-temperature ammonia atmosphere in an epitaxial growth process.
  • the sapphire substrate is an insulative substrate and cannot conduct electricity, and electrodes cannot be provided across the sapphire substrate. Therefore, the nitride semiconductor on the sapphire substrate is etched after the epitaxial growth until the n-type gallium nitride layer is exposed, an n-type contact is formed on the etched surface, and p-type and n-type are formed on the same surface side.
  • a structure in which two electrodes of a mold are provided is common.
  • a method is used in which the sapphire substrate is peeled off, the n-type gallium nitride layer is exposed, and an n-electrode is formed in that portion.
  • an excimer laser beam of generally about 300 nm or less is generally irradiated from the sapphire substrate side at a few hundred mjZcm 2 to irradiate the GaN buffer layer.
  • LLO Laser Lift Off
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-168820
  • Patent Document 2 JP 2004-153271 A
  • a Bragg reflection layer (high reflection layer) is formed on the p side and the n side, and a resonator structure is formed so that the p-side electrode directional force also tries to extract light.
  • Figure 5 shows this configuration.
  • a nitride semiconductor layer formed on a sapphire substrate is provided with a Bragg reflection layer (DBR) consisting of a multilayer film on the p side and n side.
  • DBR Bragg reflection layer
  • GaN layer 32 On the sapphire substrate 31, GaN layer 32, n-AlGaN / GaN DBR33, InGaN / GaN second active layer 34, n-GaN layer 35, InGaNZGaN first active layer 36, p-AlGaN / GaN DBR37, p —
  • the GaN layer 38 is formed, and the n-side Bragg reflection layer 33 and the p-side Bragg reflection layer 37 form a resonant cavity structure.
  • the Bragg reflection layers 33 and 37 increase the reflected light intensity by strengthening the phase of the light of the two interfacial forces, and can confine much of the light emitted from the active layer in the resonant cavity. .
  • the directivity is very high, the light beam is sharp, and the power is suitable for high-speed operation. It is not suitable as a light-emitting element for illumination that illuminates a wide area. . Moreover, since the active layer is sandwiched between the highly reflective layers, the light extraction efficiency has deteriorated.
  • An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor light emitting device that increases the light extraction efficiency related to the reflectance of the metal and has a wide irradiation angle of the emitted light.
  • the invention according to claim 1 is a nitridation comprising at least an n-side electrode, an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting region, a p-type nitride semiconductor layer, and a p-side electrode in this order.
  • the n-type nitride semiconductor layer is an antireflection layer
  • the p-type nitride semiconductor layer is a Bragg reflection layer.
  • the invention according to claim 2 is a nitride semiconductor light emitting device comprising at least an n-side electrode, an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting region, a p-type nitride semiconductor layer, and a p-side electrode in this order.
  • the n-type nitride semiconductor layer is a Bragg reflection layer
  • the p-type nitride semiconductor layer is an antireflection layer.
  • the antireflection layer is formed of a laminated film in which InGaN semiconductor layers and GaN semiconductor layers are alternately laminated in order from the light emitting region side, and the Bragg reflective layer is 2.
  • the antireflection layer is formed of a laminated film in which an AlGaN semiconductor layer and a GaN semiconductor layer are alternately laminated in order of light-emitting region side force
  • the Bragg reflective layer includes: 3.
  • the film thickness of the InGaN semiconductor layer and the GaN semiconductor layer is an integral multiple of 1Z4 of the emission wavelength
  • the film thickness of the AlGaN semiconductor layer and the GaN semiconductor layer is 4.
  • the thickness of the AlGaN semiconductor layer and the GaN semiconductor layer is formed to be an integer multiple of 1Z4 of the emission wavelength ⁇ of the light emitting region. 5.
  • the p-type nitride semiconductor layer is a Bragg reflection layer
  • the n-type nitride semiconductor layer is a Bragg reflection layer.
  • the p-type nitride semiconductor layer is used as an antireflection layer, the light extraction efficiency can be increased from either the p-side or the n-side, regardless of the type of metal used for the electrode.
  • the irradiation angle of the emitted light becomes wider.
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a layer structure of an n-side antireflection layer and a p-side Bragg reflection layer.
  • FIG. 3 is a view showing another cross-sectional structure of the nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a layer structure of an n-side Bragg reflection layer and a p-side antireflection layer.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a conventional nitride semiconductor light emitting device.
  • FIG. 1 shows the structure of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • MQW active layer 3 is InGaN
  • It has a multiple quantum well structure composed of ZGaN, etc.
  • the well layer is 30 A thick, and undoped GaN is alternately used as the barrier layer (barrier layer) at 100 A thickness
  • the barrier layer is made of InGaN having an In compositional power of 0.5 to 2%.
  • An n-type nitride contact layer is usually formed in the n-type nitride semiconductor layer, but the n-side antireflection layer 2 also serves as the n-type nitride contact layer.
  • a p-type nitride contact layer is usually formed in the p-type nitride semiconductor layer, but the p-side Bragg reflection layer 4 also serves as this p-type nitride contact layer. .
  • FIG. 2 shows the layer structure of the n-side antireflection layer 2 and the p-side Bragg reflection layer 4 in detail.
  • the n-type antireflection layer 2 has a laminated structure of an n-type impurity Si-doped InGaN layer 2a and an n-type impurity Si-doped GaN layer 2b.
  • both of the InGaN layer 2a and the GaN layer 2b may not be doped with an n-type impurity, but may be modulated by doping only one of them.
  • the above laminated structure also serves as a superlattice layer, and has the effect of relaxing the stress of InGaN and GaN, which have a large difference in lattice constant, and making InGaN in the active layer easier to grow.
  • the order of the layer structure is such that an n-InGaN layer 2a is first formed on the MQW active layer 3, and then an n-GaN layer 2b is formed. Is configured so that the n—Ga N layer 2b contacts.
  • the In component ratio increases.
  • the refractive index also increases, the InGaN crystal has a higher refractive index than the GaN crystal. Therefore, when the refractive index of the n-InGaN layer 2a is nl and the refractive index of the n-GaN layer 2b is n2, nl> n2.
  • the ⁇ -side antireflection layer 2 is called an AR coat (Anti-Reflective Coating) layer, and basically uses an interference phenomenon between reflected lights having a plurality of interfacial forces. In other words, the phase of light reflected by different interfacial forces is shifted 180 degrees so as to cancel each other and to weaken the intensity of reflected light. Therefore, the film thickness HI of the n—InGaN layer 2a and the n—GaN layer 2b is (1/4) X ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ is a positive integer), given the wavelength of light generated in the MQW active layer 3. Formed to be.
  • the ⁇ -type nitride semiconductor layer has a ⁇ -side Bragg reflection layer 4 formed thereon, and the ⁇ -side Bragg reflection layer 4 includes an AlGaN layer 4a doped with ⁇ -type impurity Mg, A p-type impurity is formed with a laminated structure with Mg-doped GaN layer 4b and constitutes a superlattice layer.
  • the order of the layer structure is such that the p-AlGaN layer 4a is first formed under the MQW active layer 3, and the p-GaN layer 4b is formed under the p-AlGaN layer 4a. After the formation, the p-GaN layer 4b is in contact with the p-electrode 5.
  • the refractive index decreases as the A1 component ratio increases, so the AlGaN crystal has a lower refractive index than the GaN crystal. Therefore, if the refractive index of the p-AlGaN layer 4a is ml and the refractive index of the p-GaN layer 4b is m2, then m2> ml.
  • the p-side Bragg reflection layer 4 basically uses an interference phenomenon between reflected light from a plurality of interfaces, and reflects the light reflected by different interface forces. By shifting the phase by 360 degrees, each other is strengthened and the intensity of reflected light is increased. Therefore, the film thickness L1 of the p-AlGaN layer 4a and the p-GaN layer 4b is (1/2) X ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ is a positive integer) It is formed so that
  • a ⁇ electrode 1 is formed on the upper surface of the ⁇ -side antireflection layer 2.
  • ⁇ electrode 1 is, for example, Ti and A It is composed of a laminate of 1 or Al, and is in ohmic contact with the n-side antireflection layer 2.
  • the p electrode 5 may be a PdZAu metal multilayer film, but in the case of being a transparent electrode, it is composed of an electrode or the like brought into ohmic contact with Ga-doped ZnO.
  • the lattice constant is close to that of GaN, and it is good between the p-GaN layer 4b in the p-side Bragg reflection layer 4 without subsequent annealing. Form a nano-mic contact.
  • the reflection film 7 is provided to reflect the light emitted to the p-electrode 5 side and extract it in the direction of the n-electrode 1. Since the p-side Bragg reflection layer 4 is provided on the p-side, the light from the MQW active layer 3 is almost reflected to the n-electrode 1 side, but is not 100% reflective, so it is slightly The transmitted light is also reflected by the reflective film 7 to be used effectively.
  • the reflective film 7 is made of a metal that functions as a silver-white reflective mirror such as A1 or Ag.
  • the insulating film 6 is formed in an annular shape around the periphery of the chip. In the case of a semiconductor laser, the insulating film 6 is formed on both sides of the chip in order to obtain a resonator structure.
  • SiN, SOG (Spin 0 n Glass) or the like is used for the insulating film 6.
  • the reflective film 7 is not directly bonded to the entire surface of the p-electrode 5 but is formed so that a part of the reflective film 7 is in direct contact with the p-electrode 5 through a small contact hole 6a. In other regions, a reflective film 7 is formed with an insulating film 6 interposed therebetween. This is because when the p-electrode 5 is a transparent electrode, if the p-electrode 5 is in contact with the reflective film 7 almost entirely, light is absorbed between the p-electrode 5 and the reflective film 7 and reflected. This is because the rate decreases. Therefore, as shown in FIG. 1, if contact is made only at the contact hole 6a, light absorption occurs only at the contact hole 6a, and high reflectivity can be maintained.
  • the pad electrode 8 on the p side is made of Au or the like, and the p electrode 5, the reflective film 7, and the pad electrode 8 are electrically connected.
  • the conductive bonding layer 9 is used to bond the pad electrode 8 and the support substrate 10 and only a multilayer metal film of Ti and Au or Au can be used in the case of thermocompression bonding, which may be a soldering material such as solder. A multilayer metal film of Au and Sn alloy and Ti is used.
  • the pad electrode 8 and the support substrate 10 are electrically connected by the conductive bonding layer 9.
  • a conductive substrate having good heat dissipation is used.
  • Ga Materials such as N, silicon, and SiC are used, and Cu is also used as a high thermal conductivity submount.
  • the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 is formed as follows. As a major flow of the manufacturing process, first, a nitride semiconductor laminate is formed on a growth substrate, and after bonding the semiconductor laminate to a support substrate, the growth substrate is removed by LLO or polishing, and n Nitride semiconductor light emitting devices are completed by forming electrodes and the like.
  • a sapphire substrate is used as a growth substrate.
  • This sapphire substrate is placed in a MOCVD apparatus, and the temperature is raised to about 1050 ° C while flowing hydrogen gas to thermally clean the substrate.
  • the temperature is lowered to about 600 ° C, and a GaN buffer layer (not shown) is grown at a low temperature.
  • the temperature is raised again to about 1000 ° C, and the n-side antireflection layer 2 and MQW active layer 3 are stacked. Thereafter, the temperature is raised and the p-side Bragg reflection layer 4 is laminated.
  • a low-efficiency Ga-doped ZnO electrode of about 2e " 4 ⁇ cm is stacked using a molecular beam epitaxy method.
  • a dielectric such as SiO film
  • a mask is formed using a resist or resist, and mesa etching is performed using ICP, etc., and etched into a chip shape. Mesa etching passes through the MQW active layer 3 until the GaN buffer layer is exposed, and the etching is stopped.
  • the insulating film 6 is formed one after another by P-CVD or sputtering, and a contact hole 6a to ZnO is formed by CF4 dry etching. Since the etching rate of ZnO is slow in CF4 dry etching, the ZnO electrode itself functions as an etching stop.
  • the contact hole 6a is formed, the reflective film 7 is first applied, and then the nod electrode 8 and the conductive bonding layer 9 are formed.
  • etching is restarted in the same manner as the first etching, and etching is performed until the sapphire substrate is exposed.
  • a support substrate 10 is prepared, and a wafer is attached to the support substrate 1 by using a thermocompression bonding or the like with the conductive bonding layer 9.
  • a KrF laser oscillating at 248 nm is irradiated from the sapphire substrate side toward the GaN buffer layer.
  • required irradiation energy is 300 ⁇ 400mjZcm 2.
  • 24 Since 8nm light is almost completely transmitted by sapphire and almost 100% absorbed by GaN, the temperature rises rapidly at the sapphire-ZGaN interface, and GaN decomposes to form a growth substrate. All sapphire substrates peel off. After sapphire is peeled off, excess Ga is flowed by acid etching or the like to form the n-electrode 1. In this way, the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 is completed.
  • FIG. 3 shows the configuration of a nitride semiconductor light emitting device that extracts light in the p-side direction.
  • the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 3 includes an n-side Bragg reflection layer 22, an MQW active layer 23, a p-side antireflection layer 24, and a p-electrode 25 on a conductive GaN substrate 21 using a known MOCVD method. Form in order. Finally, p electrode 25 and n electrode 26 are formed by vapor deposition or sputtering.
  • an n-type nitride contact layer and a p-type nitride contact layer are formed so as to sandwich the MQW active layer 23.
  • the n-side Bragg reflection layer 22 is an n-type nitride.
  • the p-side antireflection layer 24 also serves as a p-type nitride contact layer.
  • FIG. 4 shows the layer structure of the p-side antireflection layer 24 and the n-side Bragg reflection layer 22 in detail.
  • the n-side Bragg reflection layer 22 has a stacked structure of an n-type impurity Si-doped InGaN layer 22a and an n-type impurity Si-doped GaN layer 22b. Further, it is possible to do modulation doping in which only one of the InGaN layer 2a and the GaN layer 2b is doped without doping the n-type impurity. As described in Fig.
  • the n-side Bragg reflection layer 22 is also a superlattice layer, which has the effect of relaxing the stress of InGaN and GaN, which have a large difference in lattice constant, and making it easier to grow InGaN in the active layer. .
  • the MQW active layer 23 as the light emitting region uses a multiple quantum well structure in which InGaN well layers and GaN or InGaN barrier layers are alternately stacked, and the composition, stacking cycle, etc. are the same as in FIG. .
  • the n-electrode 1 also has a function of reflecting the light transmitted through the n-side Bragg reflection layer 22, and is composed of, for example, a laminate of Ti and A1 or A1 and the like. In contact. Further, since the p-electrode 5 side force also extracts light, the p-electrode 5 is a transparent electrode, and a Ga-doped ZnO electrode, an ITO electrode, or the like is used.
  • the order of the layer structure of the n-side Bragg reflection layer 22 is the same as that of the n-side antireflection layer 2 in FIG.
  • the refractive index of the InGaN layer 22a is Ml and the refractive index of the n-GaN layer 22b is M2, M1> M2.
  • the difference from the n-side antireflection layer 2 is that the phase of the reflected light is also shifted by 360 degrees to strengthen each other and increase the intensity of the reflected light. It is in the point to. Therefore, the film thickness L2 of the n-InGaN layer 22a and the n-GaN layer 22b is (1/2) X ⁇ ⁇ ( ⁇ is a positive integer), given the wavelength of light generated in the MQW active layer 23. Formed to be.
  • the ⁇ -side antireflection layer 24 is called an AR coat (Anti-Reflective Coating) layer, and the order of the layer structure is the same as that of the p-side Bragg reflection layer 4 in FIG.
  • N2 the refractive index of the AlGaN layer 24a
  • N2 the refractive index of the p-GaN layer 24b
  • N2 the refractive index of the p-GaN layer 24b
  • the film thickness H2 of the p-AlGaN layer 24a and the p-GaN layer 24b is (1/4) X ⁇ ⁇ ( ⁇ is a positive integer) when the wavelength of the light generated in the MQW active layer 23 is taken into consideration. It is formed as follows.
  • an antireflection layer (AR coating layer) made of a multilayer film is arranged on the light extraction direction side centering on the light emitting region, and a Bragg film made of a multilayer film is arranged on the side opposite to the light extraction direction. Since the reflective layer is arranged, the light that travels in the light extraction direction out of the light emitted from the light emitting region is less affected by reflection, and the light that travels in the opposite direction to the light extraction direction is Since the light is reflected by the reflective layer and travels in the light extraction direction, the light extraction efficiency is improved.

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Abstract

　電極に使用する金属の反射率に関係なく、光の取り出し効率を高めて、出射光の照射角度が広がりを持つような窒化物半導体発光素子を提供する。 　発光領域としてのＭＱＷ活性層３を挟むようにしてｎ側反射防止層２とｐ側ブラッグ反射層４が形成されており、ダブルへテロ構造を有する。ｎ側反射防止層２の上には、ｎ電極１が形成され、ｐ側ブラッグ反射層４の下側には、ｐ電極５、反射膜７、パッド電極８が形成され、導電性接合層９を介して支持基板１０に接合されている。ｎ側反射防止層２及びｐ側ブラッグ反射層４は、コンタクト層の役割も兼ねている。光の取り出し方向には、ｎ側反射防止層２が配置され、光の取り出し方向と反対側にはｐ側ブラッグ反射層４が配置されているので、光の取り出し効率が向上する。

Description

明 細 書
窒化物半導体発光素子
技術分野
[0001] 本発明は、光の取り出し効率を大きくした窒化物半導体発光素子に関する。
背景技術
[0002] 照明、バックライト等用の光源として使われる青色 LED、多色化で使用される LED 、 LD等に用いられている窒化物半導体は、バルタ単結晶の製造が困難なために、 サファイア、 SiC等の成長用基板の上に MOCVD (有機金属気相成長法)を利用し て GaNを成長させることが行われて!/、る。
[0003] サファイア基板は、ェピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性 にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。し力しながら、サファイア基 板は絶縁性基板であり、導通がとれず、サファイア基板を挟んで電極を設けることが できない。したがって、サファイア基板上の窒化物半導体は、ェピタキシャル成長後 に n型窒化ガリウム層を露出するまでエッチングし、エッチングされた面に n型コンタク トを形成して、同一面側に p型と n型の二つの電極を設ける構造が一般的である。
[0004] ところが、上記のように同一面側に p型と n型の二つの電極を設ける構成とすると、 n 電極に近接したメサ部分に電流が集中しゃす ヽことにより、 ESD (静電破壊)電圧を 上げることができない。また、活性層に均一に電流注入するのが難しぐ活性層を均 等に発光させるのが困難となる。さらに、同一面側で、 p電極と n電極の両方にワイヤ ボンディング用電極を必要とするため、 、ずれか一方のワイヤボンディング用電極を 設ければ良い導電性基板上の窒化物半導体よりも有効発光面積を狭めてしまう。
[0005] そこで、上記問題を技術的に解決するために、サファイア基板を剥がし、 n型窒化 ガリウム層を露出させ、その部分に n電極を形成する方法が用いられている。例えば 、サファイア基板に GaNバッファ層を介して窒化物半導体としての化合物結晶層を 形成した後、一般に 300nm以下程度のエキシマレーザー光を数百 mjZcm2でサフ アイァ基板側から照射し、 GaNバッファ層を分解させ、サファイア基板を剥離するレ 一ザ一リフトオフ（Laser Lift Off:以下 LLOと略す)法がある（例えば、特許文献 1参 照)。この方法は GaN基板を使ったのに等しいチップができるため、電極を対向して 設けることができる。
特許文献 1 :特開 2003— 168820号公報
特許文献 2 :特開 2004— 153271号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] しかし、上記従来技術のように、 p電極と n電極を対向して設け、 n電極側から光を 取り出そうとした場合には、 n側の GaN層と空気との界面では臨界角が小さくて光取 り出し効率が落ちることが知られている。一方、金属で構成された p側電極の反射を 利用して取り出し効率を上げようとしても、 p側電極は p側の GaN層とォーミックコンタ タトを取る必要があるために、電極に使用する金属が制限されてしまい、反射率の高 V、金属を使用できな 、と 、う問題があった。
[0007] また、光の強度を高める構成として、ブラッグ反射層（高反射層）を p側と n側に形成 し、共振器構造を構成して p側電極方向力も光を取り出そうとしたものがある (例えば 、特許文献 2参照)。この構成を図 5に示す。共振空洞構造を構成するために、サファ ィァ基板上に形成された窒化物半導体層中に、多層膜からなるブラッグ反射層（DB R)を p側と n側に設けたものが示されて 、る。
[0008] サファイア基板 31上に、 GaN層 32、 n-AlGaN/GaN DBR33、 InGaN/GaN 第 2活性層 34、 n— GaN層 35、 InGaNZGaN第 1活性層 36、 p-AlGaN/GaN DBR37、 p— GaN層 38が形成され、 n側のブラッグ反射層 33と p側のブラッグ反射 層 37とで、共振空洞構造が構成されている。ブラッグ反射層 33、 37は、 2つの界面 力 の光の位相が強め合うことにより反射光強度を増加させるもので、共振空洞器の 中に活性層から放射される光の多くを閉じ込めることができる。
[0009] この場合には、指向性が非常に高まり、光のビームは鋭くなつて、高速動作を行わ せるには適している力 広域を照らすような照明用の発光素子としては不向きであつ た。また、高反射層で活性層を挟んでいるので、光の取り出し効率が悪くなつていた
[0010] 本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、電極に使用する 金属の反射率に関係なぐ光の取り出し効率を高めて、出射光の照射角度が広がり を持つような窒化物半導体発光素子を提供することを目的として!/、る。
課題を解決するための手段
[0011] 上記目的を達成するために、請求項 1記載の発明は、少なくとも n側電極、 n型窒化 物半導体層、発光領域、 p型窒化物半導体層、 p側電極とを順に備えた窒化物半導 体発光素子において、前記 n型窒化物半導体層は反射防止層で、前記 p型窒化物 半導体層はブラッグ反射層で構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素 子である。
[0012] また、請求項 2記載の発明は、少なくとも n側電極、 n型窒化物半導体層、発光領域 、 p型窒化物半導体層、 p側電極とを順に備えた窒化物半導体発光素子において、 前記 n型窒化物半導体層はブラッグ反射層で、前記 p型窒化物半導体層は反射防 止層で構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
[0013] また、請求項 3記載の発明は、前記反射防止層が、発光領域側から順に InGaN半 導体層と GaN半導体層とが交互に積層された積層膜で形成され、前記ブラッグ反射 層は、発光領域側カゝら順に AlGaN半導体層と GaN半導体層とが交互に積層された 積層膜で形成されていることを特徴とする請求項 1記載の窒化物半導体発光素子で ある。
[0014] また、請求項 4記載の発明は、前記反射防止層が、発光領域側力も順に AlGaN半 導体層と GaN半導体層とが交互に積層された積層膜で形成され、前記ブラッグ反射 層は、発光領域側力 順に InGaN半導体層と GaN半導体層とが交互に積層された 積層膜で形成されていることを特徴とする請求項 2記載の窒化物半導体発光素子で ある。
[0015] また、請求項 5記載の発明は、前記 InGaN半導体層と GaN半導体層の膜厚は発 光波長えの 1Z4の整数倍で形成され、前記 AlGaN半導体層と GaN半導体層の膜 厚は発光波長 λの 1Z2の整数倍で形成されていることを特徴とする請求項 3記載の 窒化物半導体発光素子である。
[0016] また、請求項 6記載の発明は、前記 AlGaN半導体層と GaN半導体層の膜厚は前 記発光領域の発光波長 λの 1Z4の整数倍で形成され、前記 InGaN半導体層と Ga N半導体層の膜厚は発光波長えの 1Z2の整数倍で形成されていることを特徴とす る請求項 4記載の窒化物半導体発光素子。特徴とする窒化物半導体発光素子であ る。
発明の効果
[0017] 本発明によれば、 n型窒化物半導体層を反射防止層とした場合には、 p型窒化物 半導体層をブラッグ反射層とし、 n型窒化物半導体層をブラッグ反射層とした場合に は、 p型窒化物半導体層を反射防止層としているので、電極に使用する金属の種類 に関わらず、 p側、 n側のいずれからでも光の取り出し効率を高めることができる。また 、出射光の照射角度が広がりを持つようになる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]図 1は、本発明の窒化物半導体発光素子の断面構造を示す図である。
[図 2]図 2は、 n側反射防止層及び p側ブラッグ反射層の層構造を示す図である。
[図 3]図 3は、本発明の窒化物半導体発光素子の他の断面構造を示す図である。
[図 4]図 4は、 n側ブラッグ反射層及び p側反射防止層の層構造を示す図である。
[図 5]図 5は、従来の窒化物半導体発光素子の構成例を示す図である。
符号の説明
1 π電極
2 n側反射防止層
3 MQW活性層
4 P側ブラッグ反射層
5 ρ電極
6 絶縁膜
6a コンタクトホール
7 反射膜
8 パッド電極
9 導電性接合層
10 支持基板
21 GaN基板 22 n側ブラッグ反射層
23 MQW活性層
24 p側反射防止層
25 p電極
26 n電極
発明を実施するための最良の形態
[0020] 以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図 1は本発明による窒化 物半導体発光素子の構造を示す。
[0021] 発光領域としての MQW活性層 3を挟むようにして n側反射防止層 2と p側ブラッグ 反射層 4が形成されており、ダブルへテロ構造を有する。 MQW活性層 3は、 InGaN
ZGaN等で構成された多重量子井戸構造を有するもので、例えば、井戸層として In GaNを厚さ 30 A、バリア層（障壁層）としてアンドープ GaNを厚さ 100 Aで交互
0. 17
に 8周期積層されている。なお、バリア層は、 0. 5〜2%の In組成力もなる InGaNを 用いることちでさる。
[0022] n型窒化物半導体層には、通常、 n型窒化物コンタクト層が形成されるが、 n側反射 防止層 2は，この n型窒化物コンタクト層の役割も兼ねている。また、 p型窒化物半導 体層には、通常、 p型窒化物コンタクト層が形成されるが、 p側ブラッグ反射層 4は、こ の p型窒化物コンタクト層の役割も兼ねて 、る。
[0023] 図 2は、 n側反射防止層 2と p側ブラッグ反射層 4の層構造を詳しく示したものである 。 n型反射防止層 2は、 n型不純物 Siドープの InGaN層 2aと n型不純物 Siドープの G aN層 2bとの積層構造で構成される。
[0024] また、 InGaN層 2aと GaN層 2bの両方に n型不純物をドーピングすることをせずに、 どちらか一方にだけドープした変調ドーピングにしても良い。上記積層構造は超格子 層にもなつており、格子定数差の大きい InGaNと GaNの応力を緩和し、活性層の In GaNを成長させやすくする効果も有する。
[0025] 層構造の順序としては、最初に MQW活性層 3上に n— InGaN層 2aが形成され、 次に n— GaN層 2bが形成されるようにし、交互に形成した後に、 n電極 1とは n— Ga N層 2bが接触するように構成する。 AlGalnN混晶系では、 Inの成分比率が増加す ると、屈折率も大きくなるので、 GaN結晶よりも InGaN結晶の方が屈折率が大きい。 したがって、 n— InGaN層 2aの屈折率を nl、 n— GaN層 2bの屈折率を n2とすると、 nl >n2となる。
[0026] また、 η側反射防止層 2は、 ARコート（Anti-Reflective Coating)層と呼ばれるもので 、基本的に複数の界面力 の反射光同士の干渉現象を利用する。すなわち、異なる 界面力も反射されてくる光の位相を 180度ずらせるようにして、互いに打ち消し合うよ うにし、反射光の強度を弱めようとするものである。したがって、 n— InGaN層 2a及び n— GaN層 2bの膜厚 HIは、 MQW活性層 3で発生する光の波長をえとすると、 (1 /4) X λ Χ Ν (Νは正の整数）となるように形成される。
[0027] さらに、 n— InGaN層 2aから n— GaN層 2bに向力う光のうち、境界面に対して垂直 に入射する光に関しては、反射率 Rは R= { (nl -n2) / (nl +n2) }2であり、透過率 Tは T= 2 X nl X n2/ (nl +n2) 2と表せる。 nlが大きければ透過率 Tも大きくなる。
[0028] 一方、 ρ型窒化物半導体層につ!/、ては、 ρ側ブラッグ反射層 4が形成されており、 ρ 側ブラッグ反射層 4は、 ρ型不純物 Mgドープの AlGaN層 4aと、 p型不純物 Mgドープ の GaN層 4bとの積層構造により形成されており、超格子層を構成する。
[0029] 層構造の順序としては、最初に MQW活性層 3の下に p— AlGaN層 4aが形成され 、 p— AlGaN層 4aの下に p— GaN層 4bが形成されるようにし、交互に形成した後に 、 p電極 5とは p— GaN層 4bが接触するように構成する。 AlGalnN混晶系では、 A1の 成分比率が増加すると、屈折率は小さくなるので、 GaN結晶よりも AlGaN結晶の方 が屈折率が小さい。したがって、 p— AlGaN層 4aの屈折率を ml、 p— GaN層 4bの 屈折率を m2とすると、 m2 >mlとなる。
[0030] この p側ブラッグ反射層 4も上記 n側反射防止層 2と同様、基本的に複数の界面から の反射光同士の干渉現象を利用するもので、異なる界面力 反射されてくる光の位 相を 360度ずらせるようにして、互いに強め合うようにし、反射光の強度を高めようと するものである。したがって、 p— AlGaN層 4a及び p— GaN層 4bの膜厚 L1は、 MQ W活性層 3で発生する光の波長をえとすると、 (1/2) X λ Χ Μ (Μは正の整数）とな るように形成される。
[0031] η側反射防止層 2の上面には η電極 1が形成されている。 η電極 1は、例えば、 Tiと A 1の積層体又は Al等で構成されており、 n側反射防止層 2にォーミック接触して ヽる。 また、 p電極 5は、 PdZAuの金属多層膜であってもよいが、透明電極としても良ぐこ の場合は、 Gaドープ ZnOを用いてォーミック接触させた電極等で構成される。 p電極 5を Gaをドープした ZnOとした場合には、 GaNと格子定数が近似しており、事後のァ ニールをすることなぐ p側ブラッグ反射層 4における p— GaN層 4bとの間に良好なォ 一ミック接触を形成する。
[0032] 反射膜 7は、 p電極 5側に出射してきた光を反射させて n電極 1の方向に取り出すた めに設けられている。 p側には、 p側ブラッグ反射層 4が設けられているので、 MQW 活性層 3からの光は、 n電極 1側にほとんど反射されていくが、 100%反射できるもの ではないので、わずかに透過してきた光も反射膜 7で反射させて有効に利用しようと するものである。反射膜 7には、 A1や Agなどの銀白色系の反射ミラーとして働く金属 が用いられる。
[0033] 絶縁膜 6はチップの周縁部に環状に形成され、半導体レーザの場合には、共振器 構造を得るためにチップの両側面に形成される。絶縁膜 6には、 SiNや SOG (Spin 0 n Glass)等が用いられる。
[0034] ところで、反射膜 7は、 p電極 5に直接全面に接合されておらず、小さなコンタクトホ ール 6aを介して反射膜 7の一部が p電極 5に直接接触するように形成され、その他の 領域には絶縁膜 6を間に挟んで反射膜 7が形成されている。これは、 p電極 5を透明 電極とした場合、 p電極 5が反射膜 7とがほぼ全面で接するようにすると、 p電極 5と反 射膜 7との間で光の吸収が発生して反射率が低下するためである。したがって、図 1 のように、コンタクトホール 6aでのみ接触させるようにすれば、光の吸収はコンタクトホ ール 6aのみでしか発生せず、高 、反射率を維持することができる。
[0035] p側のパッド電極 8は、 Au等で構成され、 p電極 5、反射膜 7、パッド電極 8は電気的 に接続されている。また、導電性接合層 9はパッド電極 8と支持基板 10とを接合する もので、半田等のろう材であっても良ぐ熱圧着の場合には Tiと Auの多層金属膜又 は Auのみ、 Au及び Snの合金と Tiとの多層金属膜等が用いられる。導電性接合層 9 によってパッド電極 8と支持基板 10とが電気的に接続される。
[0036] 支持基板 1には、放熱性が良 、導電性基板が用いられる。導電性基板として、 Ga N、シリコン、 SiC等の材料が用いられ、また、高熱伝導サブマウントとして Cu等も用 いられる。
[0037] 図 1に示す窒化物半導体発光素子は、以下のように形成される。製造工程の大き な流れとしては、まず、成長用基板上に、窒化物の半導体積層体を形成し、半導体 積層体を支持基板に接合した後、成長用基板を LLO又は研磨により除去し、 n電極 等を形成して窒化物半導体発光素子が完成する。
[0038] 最初に、成長用基板としてサファイア基板を用い、このサファイア基板を MOCVD 装置に入れ、水素ガスを流しながら、 1050°C程度まで温度を上げ、基板をサーマル クリーニングする。温度を 600°C程度まで下げ、低温で GaNバッファ層（図示せず)を 成長させる。再び 1000°C程度まで温度を上げ、 n側反射防止層 2、 MQW活性層 3 を積層する。その後昇温し、 p側ブラッグ反射層 4を積層する。
[0039] p電極 5が透明電極とする場合は、分子線エピタキシー法を用い、 2e"4 Ω cm程度 の低い低効率を持つ Gaドープ ZnO電極を積層する。次に、 SiOのような誘電体膜
2
やレジストによりマスクを形成、 ICPなどを用いてメサエッチングを行い、チップ形状に エッチングする。メサエッチングは MQW活性層 3を通過し、 GaNバッファ層が露出 するところまで行い、ー且エッチングをやめる。
[0040] その後、 P— CVDやスパッタリングで絶縁膜 6をいつたん形成し、 ZnOへのコンタク トホール 6aを CF4系ドライエッチングで形成する。 CF4系ドライエッチングでは ZnO のエッチングレートは遅 、ため、上記 ZnO電極自身がエッチングストップとして機能 する。コンタクトホール 6aが形成できたら、反射膜 7を最初につけ、次にノッド電極 8、 導電性接合層 9を形成する。
[0041] その後、上記最初のエッチングと同様にエッチングを再開し、サファイア基板が露 出するまでエッチングを行う。支持基板 10を用意し、導電性接合層 9により熱圧着等 を利用して、支持基板 1上にウェハを貼り付ける。
[0042] その後 248nmで発振する KrFレーザをサファイア基板側から GaNバッファ層に向 けて照射する。 KrFの場合、必要照射エネルギーは 300〜400mjZcm2である。 24 8nmの光はサファイアではほぼ完全に透過し、 GaNではほぼ 100%吸収するため、 サファイア ZGaN界面で急速に温度上昇が起こり、 GaNが分解して成長用基板とし てのサファイア基板が剥離する。サファイア剥離後、酸エッチングなどで余分の Gaを 流し、 n電極 1を形成する。このようにして、図 1に示す窒化物半導体発光素子が完成 する。
[0043] 図 3は、 p側の方向へ光を取り出すようにした窒化物半導体発光素子の構成を示す ものである。図 3の窒化物半導体発光素子は、既知の MOCVD法を用いて、導電性 の GaN基板 21上に、 n側ブラッグ反射層 22、 MQW活性層 23、 p側反射防止層 24 、 p電極 25を順に形成する。最後に p電極 25、 n電極 26を蒸着又はスパッタにより形 成する。
[0044] 通常、 MQW活性層 23を挟むようにして、 n型窒化物コンタクト層と p型窒化物コン タクト層とが形成されるが、図 1と同様、 n側ブラッグ反射層 22は n型窒化物コンタクト 層の役割を、 p側反射防止層 24は p型窒化物コンタクト層の役割を兼ねている。
[0045] 図 4は、 p側反射防止層 24と n側ブラッグ反射層 22の層構造を詳しく示したもので ある。 n側ブラッグ反射層 22は、 n型不純物 Siドープの InGaN層 22aと n型不純物 Si ドープの GaN層 22bとの積層構造で構成される。また、 InGaN層 2aと GaN層 2bの 両方に n型不純物をドーピングすることをせずに、どちらか一方にだけドープした変 調ドーピングにしても良い。図 2で述べたように、 n側ブラッグ反射層 22は超格子層に もなつており、格子定数差の大きい InGaNと GaNの応力を緩和し、活性層の InGaN を成長させやすくする効果も有する。
[0046] 発光領域としての MQW活性層 23は、 InGaN井戸層と GaN又は InGaNバリア層 を交互に積層した多重量子井戸構造が用いられ、その組成や積層周期の例等は図 1と同様である。 n電極 1は、 n側ブラッグ反射層 22を透過してきた光を反射させる役 割も有し、例えば、 Tiと A1の積層体又は A1等で構成されており、 n側ブラッグ反射層 22にォーミック接触している。また、 p電極 5側力も光を取り出すために、 p電極 5は透 明電極となっており、 Gaドープ ZnO電極や ITO電極等が用いられる。
[0047] n側ブラッグ反射層 22の層構造の順序は、図 2の n側反射防止層 2と同様であり、 n
InGaN層 22aの屈折率を Ml、 n— GaN層 22bの屈折率を M2とすると、 M1 >M 2となる。しかし、 n側反射防止層 2と異なるのは、異なる界面力も反射されてくる光の 位相を 360度ずらせるようにして、互いに強め合うようにし、反射光の強度を高めよう とする点にある。したがって、 n— InGaN層 22a及び n— GaN層 22bの膜厚 L2は、 M QW活性層 23で発生する光の波長をえとすると、 (1/2) X λ ΧΚ(Κは正の整数）と なるように形成される。
[0048] また、 ρ側反射防止層 24は、 ARコート（Anti- Reflective Coating)層と呼ばれるもの で、層構造の順序としては、図 2の p側ブラッグ反射層 4と同様であり、 p— AlGaN層 2 4aの屈折率を Nl、 p— GaN層 24bの屈折率を N2とすると、 N2>N1となる。しかし、 P側ブラッグ反射層 4と異なるのは、異なる界面力も反射されてくる光の位相を 180度 ずらせるようにして、互いに打ち消し合うようにし、反射光の強度を弱めようとする点に ある。したがって、 p— AlGaN層 24a及び p— GaN層 24bの膜厚 H2は、 MQW活性 層 23で発生する光の波長をえとすると、 (1/4) X λ ΧΚ(Κは正の整数）となるよう に形成される。
[0049] 以上のように、発光領域を中心として光の取り出し方向側には多層膜からなる反射 防止層（ARコート層）を配し、光の取り出し方向と反対側には多層膜からなるブラッグ 反射層を配置しているので、発光領域から放射された光のうち、光の取り出し方向に 進む光は反射の影響が低減され、また、光の取り出し方向と反対側に進む光は、ブ ラッグ反射層で反射されて光の取り出し方向に向かうので、光の取り出し効率が向上 する。

Claims

請求の範囲
[1] 少なくとも n側電極、 n型窒化物半導体層、発光領域、 p型窒化物半導体層、 p側電 極とを順に備えた窒化物半導体発光素子において、
前記 n型窒化物半導体層は反射防止層で、前記 p型窒化物半導体層はブラッグ反 射層で構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
[2] 少なくとも n側電極、 n型窒化物半導体層、発光領域、 p型窒化物半導体層、 p側電 極とを順に備えた窒化物半導体発光素子において、
前記 n型窒化物半導体層はブラッグ反射層で、前記 p型窒化物半導体層は反射防 止層で構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
[3] 前記反射防止層は、発光領域側から順に InGaN半導体層と GaN半導体層とが交 互に積層された積層膜で形成され、前記ブラッグ反射層は、発光領域側から順に A1 GaN半導体層と GaN半導体層とが交互に積層された積層膜で形成されていることを 特徴とする請求項 1記載の窒化物半導体発光素子。
[4] 前記反射防止層は、発光領域側から順に AlGaN半導体層と GaN半導体層とが交 互に積層された積層膜で形成され、前記ブラッグ反射層は、発光領域側から順に In GaN半導体層と GaN半導体層とが交互に積層された積層膜で形成されていることを 特徴とする請求項 2記載の窒化物半導体発光素子。
[5] 前記 InGaN半導体層と GaN半導体層の膜厚は発光波長えの 1/4の整数倍で形 成され、前記 AlGaN半導体層と GaN半導体層の膜厚は発光波長えの 1/2の整数 倍で形成されていることを特徴とする請求項 3記載の窒化物半導体発光素子。
[6] 前記 AlGaN半導体層と GaN半導体層の膜厚は前記発光領域の発光波長 λの 1 Ζ4の整数倍で形成され、前記 InGaN半導体層と GaN半導体層の膜厚は発光波長 えの 1Z2の整数倍で形成されていることを特徴とする請求項 4記載の窒化物半導体 発光素子。
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