(57)【要約】【課題】逆電圧による半導体層間の接合の静電破壊を回避することのできる発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１は、III族窒化物半導体からなる第１のｐ型層２３、第２のｐ型層２４、第３のｐ型層２５、第１のｎ型層２０、第２のｎ型層２１及び発光層２３とを備え、ｐ型層及びｎ型層間に順方向の電流を流すことで発光層２３が発光し、逆電圧をかけることで発光しない発光素子１において、発光層２３は、複数の層を有する第１のｐ型層２３〜第３のｐ型層２２内又は第１のｎ型層２０と第２のｎ型層内の各層間のいずれかに形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体からなるｐ型層、ｎ型層及び発光層とを備え、
前記ｐ型層及び前記ｎ型層間に順方向の電流を流すことで前記発光層が発光し、逆電圧で発光しない発光素子において、
前記ｐ型層と、前記ｎ型層の少なくとも一方は複数の層を有し、
前記発光層は、複数の層を有する前記ｐ型層内又は前記ｎ型層内の各層間のいずれかに形成される発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型層及び前記ｎ型層は、それぞれ複数の層を有し、
前記ｐ型層及び前記ｎ型層におけるｐｎ接合を構成する各層が、他の層に比べて不純物濃度が高く形成される請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ｐｎ接合を構成する各層は、Ｉｎを含む請求項２に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｐ型層とｎ型層との間に発光層を設けた発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光素子は、ｎ型のＧａＮ層と、ｐ型のＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との間に設けられ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が交互に積層された多層膜層からなる発光層とを備える。発光層に含まれる各ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、５〜５０Åの範囲で積層されるため、ｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とのミスフィットが小さくなり、発光層全体の結晶性が向上する。これにより、発光素子の発光出力が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２６８２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の発光素子は、逆電圧をかけると数十Ｖ以上でアバランシェ降伏による電流が流れ始めるが、その電圧が高いためにｐｎ接合間において静電破壊が発生するおそれがあった。このため、逆電圧による静電破壊を防止するためにツェナーダイオード等を発光素子と並列に接続する等の対策がとられていた。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、逆電圧による半導体層間の接合の静電破壊を回避することのできる発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、III族窒化物半導体からなるｐ型層、ｎ型層及び発光層とを備え、前記ｐ型層及び前記ｎ型層間に順方向の電流を流すことで前記発光層が発光し、逆電圧で発光しない発光素子において、前記ｐ型層と、前記ｎ型層の少なくとも一方は複数の層を有し、前記発光層は、複数の層を有する前記ｐ型層内又は前記ｎ型層内の各層間のいずれかに形成される発光素子が提供される。
【０００７】
上記発光素子において、前記ｐ型層及び前記ｎ型層は、それぞれ複数の層を有し、前記ｐ型層及び前記ｎ型層におけるｐｎ接合を構成する各層が、他の層に比べて不純物濃度が高く形成されてもよい。
【０００８】
上記発光素子において、前記ｐｎ接合を構成する各層は、Ｉｎを含んでもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、逆電圧による半導体層間の接合の静電破壊を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の模式縦断面図である。
【図２】図２は、発光素子の層構成を示す表である。
【図３】図３は、実施の形態に係る発光素子の電極間の電圧が０の状態のバンドダイアグラムを示す。
【図４】図４は、実施の形態に係る発光素子の電極間に逆電圧をかけた状態のバンドダイアグラムを示す。
【図５】図５は、実施の形態に係る発光素子の電極間に順方向に電流を流した状態のバンドダイアグラムを示す。
【図６】図６は、従来の発光素子の層構成を示す表である。
【図７】図７は、従来の発光素子の電極間に逆電圧をかけた状態のバンドダイアグラムを示す。
【図８】図８は、本発明の変形例に係る発光素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の模式縦断面図であり、図２は、発光素子の層構成を示す表である。
【００１２】
（発光素子１の構成）
本発明の実施の形態に係る発光素子１は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０の上に設けられる第１のｎ型層２０と、第１のｎ型層２０の上に設けられる第２のｎ型層２１と、第２のｎ型層２１の上に設けられる第１のｐ型層２２と、第１のｐ型層２２の上に設けられる発光層２３と、発光層２３の上に設けられる第２のｐ型層２４と、第２のｐ型層２４の上に設けられる第３のｐ型層２５とを備える。
【００１３】
また、発光素子１は、第３のｐ型層２５の上に設けられる金属層としてのｐ型用電極３０と、第３のｐ型層２５から第１のｎ型層２０の一部までエッチングして除去することにより露出した第１のｎ型層２０の上に設けられるｎ型用電極３１とを備える。
【００１４】
ここで、第１のｎ型層２０と、第２のｎ型層２１と、第１のｐ型層２２と、発光層２３と、第２のｐ型層２４と、第３のｐ型層２５とは、例えば、有機金属化学気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）によって形成されるIII族窒化物半導体から構成される層である。例えば、III族窒化物半導体としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ等が用いられ、図２に示すような組成で層２０〜２４のIII族窒化物半導体が形成される。
【００１５】
ＧａＮからなる第１のｎ型層２０は、不純物濃度５．００×１０１８ｃｍ−３のｎ型ドーパント、例えば、Ｓｉをドーピングして形成される。ＩｎaＧａ１−aＮからなる第２のｎ型層２０は、不純物濃度１．００×１０２０ｃｍ−３のｎ型ドーパントをドーピングして図２に示す組成で形成される。
【００１６】
また、発光層２３は、ＩｎｂＧａ１−ｂＮ／ＧａＮから構成される、例えば、３ペアの多重量子井戸構造を有すべく３つのＱＷと４つのバリア層から図２に示す組成で形成される。
【００１７】
更に、ＩｎｃＧａ１−ｃＮからなる第１のｐ型層２２は、不純物濃度１．００×１０２０ｃｍ−３のｐ型ドーパント、例えば、Ｍｇをドーピングして形成される。ＡｌｄＧａ１−ｄＮからなる第２のｐ型層２４は、不純物濃度５．００×１０１９ｃｍ−３のｐ型ドーパントを、ＧａＮからなる第３のｐ型層２５は、不純物濃度５．００×１０１９ｃｍ−３のｐ型ドーパントをドーピングして図２に示す組成で形成される。
【００１８】
すなわち、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２の不純物濃度が他の層に比べて高く設定される。また、それぞれの層２０〜２５の厚さは、図２に示す通りである。ここで、各層２０〜２５の厚さは任意に変更することができ、図２においては、第１のｎ型層２０の厚さを３０ｎｍとしているが、例えば、第１のｎ型層２０の厚さを３μｍとしてもよい。
【００１９】
係る構成からなる本実施形態の発光素子１は、青色領域の波長の光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。例えば、発光素子１は、順電圧が３．２Ｖ、順電流が２０ｍＡの場合におけるピーク波長が４５０ｎｍの光を発するフリップチップ型の青色ＬＥＤである。また、発光素子１は上面視にて略四角形状に形成される。そして、発光素子１の平面寸法は、縦寸法及び横寸法がそれぞれ略３００μｍである。
【００２０】
また、第１のｎ型層２０上に設けられるｎ型用電極３１は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｖ、Ｉｒ、及びＲｈ等の金属よりなる群から選ばれた１つ又は２つ以上の金属を含んで形成される。
【００２１】
更に、ｐ型用電極３０は、例えば、発光層２３が発する光（波長：約４５０ｎｍ）に対して９０％の反射率を有するＡｇから形成される。また、ｐ型用電極３０上に図示しないボンディングパッドが形成され、ボンディングパッドには、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等を用いることができる。
【００２２】
なお、サファイア基板１０の上に設けられる層２０〜２５は、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）又はハライド気相エピタキシー法（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）等によって形成されてもよい。また、サファイア基板１０の上に、例えば、ＡｌＮ又はＧａＮから形成されるバッファ層を形成して、形成したバッファ層の上に第１のｎ型層２０を形成してもよい。更に、発光層２３の量子井戸構造は、単一量子井戸の構造とすることもでき、又は、量子井戸構造を有さないバルクの発光層とすることもできる。
【００２３】
また、本実施形態において発光素子１は、青色領域の波長の光を発するＬＥＤであるが、他の例においては、紫外領域の波長の光、紫色領域の波長の光、又は緑色領域の波長の光を発するＬＥＤであってもよい。更に他の例において発光素子１は、III−V族化合物半導体やII−VI族化合物半導体（例えば、ＺｎＯ系、ＺｎＳｅ系、ＧａＡｓ系、ＧａＰ系、又はＩｎＰ系）から構成されるＬＥＤであってもよい。
【００２４】
（発光素子１の製造工程）
まず、III族窒化物半導体が、サファイア基板１０の表面にＭＯＣＶＤを用いてエピタキシャル成長されることによりエピ基板が形成される。すなわち、サファイア基板１０の上に、層２０〜２５を係る順にエピタキシャル成長してエピ基板を形成する。
【００２５】
続いて、フォトレジストによるマスクを第３のｐ型層２５の所定の領域にフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。次に、マスクが形成された部分以外を、第３のｐ型層２５から第１のｎ型層２０の一部までエッチングする。そして、マスクを除去する。これにより、第１のｎ型層２０の一部の表面が露出した形状が形成される。
【００２６】
次に、第３のｐ型層２５の上に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型用電極３０を形成する。同様にして、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、第１のｎ型層２０の上にｎ型用電極３１を形成する。そして、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型用電極３０の上にボンディングパッドを形成する。
【００２７】
係る工程を経て形成された発光素子１は、予め導電性材料による配線パターンが形成されたセラミック等から構成される基板の所定の位置に、フリップチップボンディングにより実装される。そして、基板に実装された発光素子１を、エポキシ樹脂、又はガラス等の封止材で一体として封止することにより、パッケージ化した発光素子１を形成できる。なお、封止材は、一例において、所定の波長領域の光により励起され、当該光とは異なる波長領域の光を放出する蛍光体を含んで形成することもできる。
【００２８】
図３は、実施の形態に係る発光素子の電極間の電圧が０の状態のバンドダイアグラムを示す。
【００２９】
発光素子１は、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２の不純物濃度が他の層に比べて高く設定されるため、不純物濃度が高くない場合に比べて、ｐｎ接合位置に該当する伝導帯及び価電子帯の立ち上がりが急峻となる。
【００３０】
また、発光層２３に該当する伝導帯及び価電子帯はＱＷ（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）を有する。
【００３１】
（発光素子１の動作）
図４は、実施の形態に係る発光素子の電極間に逆電圧をかけた状態のバンドダイアグラムを示す。
【００３２】
ボンディングパッド及びｎ型用電極３１に発光層２３が発光しない逆電圧を、例えば、１０Ｖかけると、層２２〜２４に該当する伝導帯及び価電子帯が図４に示すように、電極間の電圧が０の場合に比べて、高エネルギー側に持ち上がることで、ｐｎ接合位置に該当する伝導帯及び価電子帯の立ち上がりがさらに急峻となる。
【００３３】
このため、図２に示す積層構造において、伝導帯と価電子帯の同エネルギーにおける空間的な最接近距離が２ｎｍとなり、ｐｎ接合において伝導帯と価電子帯間のトンネル電流が十分流れ得る状態となる。また、発光素子１が帯電したものに触れた場合にも、電極間に１０Ｖ以上の電圧がかからず、ｐｎ接合の静電破壊の発生が抑制される。
【００３４】
図５は、実施の形態に係る発光素子の電極間に順方向に電流を流した状態のバンドダイアグラムを示す。
【００３５】
一方、ボンディングパッドに順方向に所定の電流、例えば、２０ｍＡを流すと、層２２〜２４に該当する伝導帯及び価電子帯が図５に示すように、電極間の電圧が０の場合に比べて、低エネルギー側に下がり、従来のＬＥＤと同様の伝導帯及び価電子帯が形成され、発光素子１は、発光層２３において所定の波長領域の光を発光する。
【００３６】
発光層２３が発した光の一部は第１のｐ型層２２、第２のｎ型層２１、第１のｎ型層２０及びサファイア基板１０を通過して、発光素子１の外部に放射される。一方、発光層２３が発した光の一部は、ｐ型用電極３０の側に放射される。ｐ型用電極３０の側に放射された光の一部は、ｐ型用電極３０においてサファイア基板１０の側に反射され、サファイア基板１０から発光素子１の外部に放射される。
【００３７】
以下、比較のため、ｐｎ接合間に発光層を設けて層構成される従来の発光素子について説明する。
【００３８】
図６は、従来の発光素子の層構成を示す表である。
【００３９】
従来の発光素子は、第１のｎ型層、第２のｎ型層、発光層、第１のｐ型層、第２のｐ型層の順で積層され、第１のｎ型層及び第２のｎ型層並びに第１のｐ型層及び第２のｐ型層の不純物濃度は、それぞれ同程度である。発光層は、本発明の発光層２３と同様に構成される。
【００４０】
図７は、従来の発光素子の電極間に逆電圧をかけた状態のバンドダイアグラムを示す。
【００４１】
ボンディングパッド及びｎ型用電極間に発光層が発光しない逆電圧を、例えば、１０Ｖかけると、第１のｐ型層及び第２のｐ型層に該当する伝導帯及び価電子帯が図７に示すように、電極間の電圧が０の場合に比べて、高エネルギー側に持ち上がることで、発光層を含むｐｎ接合位置に該当する伝導帯及び価電子帯が立ち上がる。
【００４２】
しかし、伝導帯と価電子帯の同エネルギーにおける空間的な最接近距離は１０ｎｍであり、ｐｎ接合において伝導帯と価電子帯間のトンネル電流が流れるには不十分である。つまり、電流が流れる状態とするためには、さらに高い電圧を電極間にかける必要があり、帯電したものに触れた場合等には、発光素子で大きなエネルギーが消費されて、静電破壊に至る可能性がある。
【００４３】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【００４４】
本実施形態において発光層２３は、第１のｐ型層２２及び第２のｐ型層２４の間に積層されるとともに、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２は、不純物濃度を他の層に比べて高く設定される。したがって、ボンディングパッド及びｎ型用電極３１に逆電圧をかけた場合に、ｐｎ接合間にトンネル電流が流れ得る状態となり、発光素子１が帯電したものに触れた場合にも、電極間に高電圧がかからず、ｐｎ接合の静電破壊の発生が抑制される。また、これにより静電破壊の対策としてツェナーダイオード等が不要となる。
【００４５】
ここで、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２がＩｎを含んでいるので、Ｉｎを含まない場合と比べてバンドギャップが小さいため、伝導帯と価電子帯の空間的な最接近距離が小さくなっている。
【００４６】
また、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２のそれぞれの厚みを制御することで、トンネル電流が流れる状態を制御することができる。
【００４７】
また、第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２の不純物濃度を他の層に比べて高くすればよく、従来の発光素子の層構成と同じようにすることができるため、各層の平坦性及び転移密度等の結晶性を向上することができる。
【００４８】
［変形例］
図８は、本発明の変形例に係る発光素子の模式断面図である。
【００４９】
本発明の変形例に係る発光素子１Ａは、サファイア基板１０と、サファイア基板１０の上に設けられる第１のｎ型層２０と、第１のｎ型層２０の上に設けられる発光層２３と、発光層２３の上に設けられる第２のｎ型層２１と、第２のｎ型層２１の上に設けられる第１のｐ型層２２と、第１のｐ型層２２の上に設けられる第２のｐ型層２４と、第２のｐ型層２４の上に設けられる第３のｐ型層２５とを備える。
【００５０】
また、発光素子１Ａは、第３のｐ型層２５の上に設けられる金属層としてのｐ型用電極３０と、第３のｐ型層２５から第１のｎ型層２０の一部までエッチングして除去することにより露出した第１のｎ型層２０の上に設けられるｎ型用電極３１とを備える。
【００５１】
この発光素子１Ａにおいて、各層２０〜２５の組成は、各層の積層順を図８に示す順番に入れ替えることで、例えば、図２と同様の数値を用いることができる。
【００５２】
以上に説明した構成において、発光素子１は、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２の不純物濃度が他の層に比べて高く設定されるため、不純物濃度が高くない場合に比べて、実施の形態と同様、ｐｎ接合位置に該当する伝導帯及び価電子帯の立ち上がりが急峻となる。
【００５３】
また、逆電圧をかけると第１のｐ型層２２、第２のｐ型層２４及び第３のｐ型層に該当する伝導帯及び価電子帯が、電極間の電圧が０の場合に比べて、高エネルギー側に持ち上がることで、ｐｎ接合位置に該当する伝導帯及び価電子帯の立ち上がりがさらに急峻となる。
【００５４】
また、ｐｎ接合を構成する第２のｎ型層２１及び第１のｐ型層２２がＩｎを含む場合、Ｉｎを含まない場合と比べてバンドギャップが小さいため伝導帯と価電子帯の空間的な最接近距離が小さくなる。
【００５５】
このため、実施の形態と同様、伝導帯と価電子帯の同エネルギーにおける空間的な最接近距離が２ｎｍとなり、ｐｎ接合において伝導帯と価電子帯間のトンネル電流が十分流れ得る状態となる。
【符号の説明】
【００５６】
１  発光素子
１０  サファイア基板
２０  第１のｎ型層
２１  第２のｎ型層
２２  第１のｐ型層
２３  発光層
２４  第２のｐ型層
２５  第３のｐ型層
３０  ｐ型用電極
３１  ｎ型用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011210851.tif 000009
【図８】
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