(57)【要約】【課題】静電耐圧特性を向上させ、かつ発光効率を向上させること。【解決手段】III 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０上に、ｎ型コンタクト層１１、ＥＳＤ層１２、ｎ型クラッド層１３、発光層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６が積層された構造である。ＥＳＤ層１２はピット２０を有し、このピット２０を埋めずにｎ型クラッド層１３、発光層１４が形成されている。ｎ型クラッド層１３と発光層１４との界面でのピット２０の直径は１１０〜１５０ｎｍである。また、発光層１４の障壁層はＡｌ組成比が３〜７％のＡｌＧａＮである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層、発光層、ｐ型層が順に積層され、前記ｎ型層にピットを有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層と前記ｎ型層との界面における前記ピットの直径は、１１０〜１５０ｎｍであり、
前記発光層は、ＡｌＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＧａＮからなる井戸層とが繰り返し積層されたＭＱＷ構造である、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記障壁層のＡｌ組成比は、３〜７％である、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型層は、ｎ型コンタクト層、ＥＳＤ層、ｎ型クラッド層が積層された構造であり、前記ピットはＥＳＤ層から発生し、前記ピットを埋めずに前記ｎ型クラッド層、前記発光層が形成されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
ｎ型層、発光層、ｐ型層が順に積層され、前記ｎ型層にピットを有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ピットは、成長温度を８５０〜９２０℃として発生させ、
前記発光層は、ＡｌＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＧａＮからなる井戸層とを繰り返し積層して形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｎ型層にピットを生じさせることにより、発光層にかかる歪の緩和による発光効率、および静電耐圧特性を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子に関し、特に発光層の障壁層としてＡｌＧａＮを用いたものである。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物半導体発光素子において、ｎ型層にピットを発生させ、ピットを埋めないようにして発光層を形成した構造が知られている。
【０００３】
たとえば特許文献１では、ｎコンタクト層上に、ｉ−ＧａＮ層、ｎ−ＧａＮ層の２層からなるＥＳＤ層を設け、ｉ−ＧａＮ層にピットを発生させ、ｎ−ＧａＮ層のＳｉ濃度と膜厚を所定の範囲とすることで、静電耐圧特性が向上することが示されている。また、発光層には、障壁層をＡｌＧａＮとするＭＱＷ構造が示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ｎ型層上に、上面でのピット径が０．０５μｍ以上のピットを有した中間層を設け、中間層上にピットを埋めないようにして発光層が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子が示されている。これにより、通電時の逆方向電流を抑制できることが示されている。また、特許文献２では発光層として、ＧａＮとＩｎＧａＮを繰り返し積層したＭＱＷ構造を用いることが示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、成長基板から発光層までの間に、ピットを有する層を設け、これにより発光層の歪を緩和して発光効率を向上させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１８０４９５
【特許文献２】特開２００７−２０１４２４
【特許文献３】特開平１１−２２０１６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
III 族窒化物半導体発光素子のＭＱＷ構造の発光層において、障壁層としてＡｌＧａＮを用い、より効率的に電子を閉じ込めることで発光効率を向上させることが試みられている。しかし、ｎ型層にピットを生じさせ、発光層の障壁層としてＡｌＧａＮを用いた場合、ピット径が小さすぎると発光層にかかる歪みの緩和が十分でなく、発光出力が低下し、ピット径が大きすぎるとキャリアの閉じ込めが弱くなり、発光効率が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
特許文献１では、発光層の障壁層としてＡｌＧａＮを用いることは示されているが、ピット径に関する考察はない。また、特許文献２では、発光層の障壁層としてＧａＮを用いた場合のピット径については検討されているが、ＡｌＧａＮを用いた場合については言及がない。
【０００９】
そこで本発明の目的は、ｎ型層にピットを発生させ、ＭＱＷ構造の発光層の障壁層としてＡｌＧａＮを用いたIII 族窒化物半導体発光素子において、静電耐圧特性を向上させつつ、発光層にかかる歪みの緩和とキャリアの閉じ込め率向上によって発光効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、ｎ型層、発光層、ｐ型層が順に積層され、ｎ型層にピットを有したIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層とｎ型層との界面におけるピットの直径は、１１０〜１５０ｎｍであり、発光層は、ＡｌＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＧａＮからなる井戸層とが繰り返し積層されたＭＱＷ構造である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１１】
ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。
【００１２】
発光層とｎ型層との界面におけるピットの直径は、ピットを発生させる際のIII 族窒化物半導体層の成長温度によって制御可能である。たとえば、成長温度を８５０〜９２０℃とすることでピット径を１１０〜１５０ｎｍとすることができる。
【００１３】
障壁層のＡｌ組成比は、３〜７％とすることが望ましい。発光層内でのキャリアの閉じ込めがより強化され、オーバーフローを低減することができるため、発光効率をより向上させることができる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、障壁層のＡｌ組成比は、３〜７％である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ｎ型層は、ｎ型コンタクト層、ＥＳＤ層、ｎ型クラッド層が積層された構造であり、ピットはＥＳＤ層から発生し、ピットを埋めずにｎ型クラッド層、発光層が形成されている、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【００１６】
第４の発明は、ｎ型層、発光層、ｐ型層が順に積層され、ｎ型層にピットを発生させたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、ピットは、成長温度を８５０〜９２０℃として発生させ、発光層は、ＡｌＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＧａＮからなる井戸層とを繰り返し積層して形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、静電耐圧特性を向上させつつ、発光層にかかる歪みやキャリアの閉じ込めを制御して発光効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。
【図２】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程を示した図。
【図３】ＥＳＤ層１２の成長温度とピット径との関係を示したグラフ。
【図４】ＥＳＤ層１２の成長温度と光出力との関係を示したグラフ。
【図５】障壁層１４ＡのＡｌ組成比と光出力との関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。III 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０を有し、サファイア基板１０上にバッファ層（図示しない）を介して、ｎ型コンタクト層１１、ＥＳＤ層１２、ｎ型クラッド層１３、発光層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６が順に積層されている。ｐ型コンタクト層１６上の一部領域には、ｎ型コンタクト層１１に達する深さの溝が形成され、その溝により露出したｎ型コンタクト層上にはｎ電極１７が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１６表面のほぼ全域にはＩＴＯからなる透明電極１８が形成され、透明電極１８上にはｐ電極１９が形成されている。
【００２１】
サファイア基板１０表面には、光取り出し効率を向上させるために、ドット状、ストライプ状などの凹凸加工が施されていてもよい。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどを成長基板として用いてもよい。
【００２２】
ｎ型コンタクト層１１は、Ｓｉが高濃度にドープされたｎ−ＧａＮである。ｎ電極１７とのコンタクトを良好とするために、ｎ型コンタクト層１１をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００２３】
ＥＳＤ層１２は、ピット２０を発生させて歪みを緩和し、静電耐圧特性の向上や光出力向上を図るための層である。ＥＳＤ層１２は、たとえばｎ型コンタクト層１１側から順に、第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層で構成される。第１ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度が１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮである。第１ＥＳＤ層の厚さは２００〜１０００ｎｍである。また、第１ＥＳＤ層の表面にはピットが生じており、そのピット密度は、１×１０8 ／ｃｍ2 以下である。第２ＥＳＤ層は、ノンドープのＧａＮである。第２ＥＳＤ層の厚さは５０〜２００ｎｍである。第２ＥＳＤ層の表面にもピットが生じており、そのピット密度は２×１０8 ／ｃｍ2 以上である。第２ＥＳＤ層はノンドープであるが、残留キャリアによりキャリア濃度が１×１０16〜１×１０17／ｃｍ3 となっている。第３ＥＳＤ層は、ＳｉがドープされたＧａＮであり、Ｓｉ濃度（／ｃｍ3 ）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０20〜３．６×１０20（ｎｍ／ｃｍ3 ）である。たとえば、第３ＥＳＤ層の厚さを３０ｎｍとする場合にはＳｉ濃度は３．０×１０18〜１．２×１０19／ｃｍ3 である。このＥＳＤ層１２に発生させたピット２０は、ＥＳＤ層１２上に積層されるｎ型クラッド層１３、発光層１４に埋められておらず、ピット形状に沿ってこれらｎ型クラッド層１３、発光層１４が形成されている。
【００２４】
ｎ型クラッド層１３は、ＩｎＧａＮとＧａＮとが繰り返し１５回積層された超格子構造である。ｎ型クラッド層１３表面（ｎ型クラッド層１３と発光層１４との界面）におけるピット２０の直径は、１１０〜１５０ｎｍである。
【００２５】
発光層１４は、ＡｌＧａＮからなる障壁層と、ＩｎＧａＮからなる井戸層とが繰り返し５回積層されたＭＱＷ構造である。障壁層のＡｌ組成比は、３〜７％である。また、井戸層のＩｎ組成比は、たとえば、発光波長が３８０〜４６０ｎｍとなるような値である。
【００２６】
ｐ型クラッド層１５は、ｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＩｎＧａＮを繰り返し７回積層させた超格子構造である。ｐ型不純物はＭｇである。
【００２７】
ｐ型コンタクト層１６は、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮである。ｐ電極１９とのコンタクトを良好とするために、ｐ型コンタクト層１６をキャリア濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００２８】
次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法について図２を参照に説明する。
【００２９】
まず、サファイア基板１０を水素雰囲気中で加熱してクリーニングを行い、サファイア基板１０表面の付着物を除去する。その後、ＭＯＣＶＤ法によって、サファイア基板１０上にＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介してＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１を形成する（図２（ａ））。キャリアガスには水素と窒素、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ｎ型ドーパントガスにはＳｉＨ4 （シラン）を用いた。
【００３０】
次に、ｎ型コンタクト層１１上に、ＭＯＣＶＤ法によってＥＳＤ層１２を形成する。ＥＳＤ層１２の成長温度は、８５０〜９２０℃とする。これにより、ＥＳＤ層１２表面に密度が１〜５×１０8 ／ｃｍ2 程度のピット２０を発生させる（図２（ｂ））。
【００３１】
次に、ＥＳＤ層１２上にＭＯＣＶＤ法によってｎ型クラッド層１３、発光層１４を順に積層させる。キャリアガス、窒素源、Ｇａ源は上記と同様で、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いた。ｎ型クラッド層１３、発光層１４はピット２０を埋め込まないようにして形成する（図２（ｃ））。ここで、ＥＳＤ層１２を８５０〜９２０℃で形成したため、ｎ型クラッド層１３と発光層１４との界面におけるピットの直径は１１０〜１５０ｎｍとなる。
【００３２】
図３は、ＥＳＤ層１２の成長温度と、ｎ型クラッド層１３と発光層１４との界面におけるピット径との関係を示したグラフである。図３のように、ピット径はＥＳＤ層１２の成長温度によって制御可能であることがわかり、ＥＳＤ層１２の成長温度を８５０℃、９２０℃、９９０℃としたときに、それぞれ１５０ｎｍ、１１０ｎｍ、８０ｎｍのピット径が得られることがわかる。
【００３３】
次に、発光層１４上にｐ型クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６を積層される（図２（ｄ）。これらの層を形成時に、ピット２０は埋め込まれて表面が平坦化される。ｐ型ドーパントガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。
【００３４】
次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１６表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１１に達する溝を形成する。そして、ｐ型コンタクト層１６表面に透明電極１８を形成し、さらに透明電極１８上にｐ電極１９、ドライエッチングによって溝底面に露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１７を形成する。以上によって図１に示すIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。
【００３５】
図４は、ＥＳＤ層１２の成長温度と相対光出力との関係を示したグラフであり、図５は、ＥＳＤ層１２の成長温度を８５０℃とした場合の発光層１４の障壁層のＡｌ組成比と、相対光出力との関係を示したグラフである。相対光出力は、ＥＳＤ層１２の成長温度を８５０℃、Ａｌ組成比０％（すなわち障壁層がＧａＮ）とした場合の光出力を１とした値である。図４から、ＥＳＤ層１２の成長温度を上げてピット径を小さくしすぎると、発光層１４にかかる歪みの緩和が十分でなく相対光出力が低下し、また逆に成長温度を下げてピット径を大きくしすぎても、キャリアの閉じ込めが弱くなり相対光出力が低下してしまうことが見て取れる。したがって、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子のように、ＥＳＤ層１２の成長温度は８５０〜９２０℃、ピット径にして１１０〜１５０ｎｍとするのが望ましい範囲であると推測される。また、図４、５から障壁層のＡｌ組成比を増加させると相対光出力も増加することがわかる。これは、Ａｌ組成比が高いほど発光層１４内でのキャリアの閉じ込めが強化され、オーバーフローが低減されるためである。また、図５から、Ａｌ組成比３％のときにＡｌ組成比０％の場合のおよそ１．１倍の光出力が得られ、障壁層のＡｌ組成比は３〜７％とするのが望ましいと推測される。
【００３６】
なお、本発明はｎ型層にピットを有し、ｎ型層と発光層との界面におけるピット径が１１０〜１５０ｎｍであること、および発光層の障壁層がＡｌＧａＮであること、に特徴を有するものであり、それ以外の構造については従来より知られている種々の構造を採用可能である。たとえば、基板として導電性の材料を用い、もしくはレーザーリフトオフなどによって基板を除去し、上下に電極を設けて縦方向に導通をとる構造の発光素子にも本発明は適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、種々の光源として利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０：サファイア基板
１１：ｎ型コンタクト層
１２：ＥＳＤ層
１３：ｎ型クラッド層
１４：発光層
１５：ｐ型クラッド層
１６：ｐ型コンタクト層
１７：ｎ電極
１８：透明電極
１９：ｐ電極
２０：ピット
【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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