(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部のｎ形層およびｐ形層にそれぞれ電気的に接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とを有し、前記基板は、前記半導体積層部表面側の全面に設けられる前記ｐ側電極表面に貼り付けられたＡｌ板からなり、前記半導体積層部はサファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して形成された後に前記サファイア基板が除去されたものであり、前記ｎ形層は、前記サファイア基板を全面的に除去して露出する部分のキャリア濃度が１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3で、前記発光層に接する部分のキャリア濃度１×１０18〜３×１０18ｃｍ-3より大きくなるように形成され、該露出するキャリア濃度の大きいｎ形層の一部に前記ｎ側電極が設けられてなる半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、ｎ側電極とｎ形層とのオーミックコンタクトを良好にして順方向電圧を下げ得る半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば青色系の半導体発光素子は、図４にその発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）の一例の概略図が示されるように、サファイアからなる絶縁性の基板２１上に、たとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とが積層されている。そして、その表面に図示しない拡散メタル層などを介してｐ形層２５に電気的に接続するようにｐ側電極２８が設けられている。そして、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層２３と電気的に接続するようにｎ側電極２９が設けられることにより、ＬＥＤチップが形成されている。
【０００３】
この種の半導体発光素子は、活性層２４を挟持するｎ形層２３およびｐ形層２５は、活性層２４へのキャリアの閉込め効果などの点から、そのキャリア濃度が最適になるように設定されており、たとえばｎ形層２３のキャリア濃度は１０18ｃｍ-3オーダの一定のキャリア濃度でｎ形層２３が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子では、そのｎ形層のキャリア濃度は発光特性に最適なキャリア濃度に設定されて、ｎ形層の下から上まで一様なキャリア濃度に形成されている。そしてエッチングにより露出するｎ形層の一部に接続するようにｎ側電極が設けられている。しかし、ｎ側電極が設けられるｎ形層のキャリア濃度は、電極とのオーミックコンタクトを得るためには大きいほど好ましく、１×１０19ｃｍ-3程度以上が好ましい。そのため、前述のように発光特性から制限されたキャリア濃度の半導体層に電極を形成すると、充分なオーミックコンタクトを得ることができず、順方向電圧の上昇の一因になっている。
【０００５】
従来のたとえばＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体などからなる半導体発光素子においては、半導体基板上に発光層を形成すべく半導体積層部が設けられるため、ｎ形層がキャリア濃度の大きい半導体基板と接続されて半導体基板に電極が設けられるため、発光特性に最適なキャリア濃度に合わせてｎ形層が形成されても何等の問題がないが、チッ化ガリウム系化合物半導体はサファイア基板上に積層されるため、そのｎ形層に直接電極が設けられ、前述のようにオーミック接触が充分に得られないという問題がある。しかも、良好なオーミックコンタクトを得にくい中で少しでもオーミックコンタクトを良好にするため、電極材料も限定されて、その選択余地が少ないという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、絶縁基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体発光素子においても、発光層に接する部分では発光特性に最適なキャリア濃度を維持しながら、ｎ形層とｎ側電極とのオーミックコンタクト特性を向上させて順方向電圧を低下させ、発光効率を向上させると共に、電極材料の選択余地を拡大することができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部のｎ形層およびｐ形層にそれぞれ電気的に接続して設けられるｎ側電極およびｐ側電極とを有し、前記基板は、前記半導体積層部表面側の全面に設けられる前記ｐ側電極表面に貼り付けられたＡｌ板からなり、前記半導体積層部はサファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して形成された後に前記サファイア基板が除去されたものであり、前記ｎ形層は、前記サファイア基板を全面的に除去して露出する部分のキャリア濃度が１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3で、前記発光層に接する部分のキャリア濃度１×１０18〜３×１０18ｃｍ-3より大きくなるように形成され、該露出するキャリア濃度の大きいｎ形層の一部に前記ｎ側電極が設けられている。この構造にすることにより、発光特性に影響を及ぼすことなくｎ形層とｎ側電極とのオーミックコンタクトを良好にとることができ、順方向電圧を下げることができる。
【０００８】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、発光層とは活性層をｎ形層とｐ形層とで挟持するダブルへテロ接合構造にあっては活性層を、ｐｎ接合構造ではｐｎ接合近傍の発光部を意味する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に示されるように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる絶縁性の基板１の表面に発光層を形成する半導体積層部１０が形成されて、その表面側のｐ形層５に、図示しない拡散メタル層を介してｐ側電極８が電気的に接続されている。また、半導体積層部１０の一部が除去されて露出するｎ形層３に電気的に接続されるようにｎ側電極９が形成されている。本発明では、たとえば図１に示されるように、ｎ形層３が、発光特性に適したキャリア濃度で活性層４に接するｎ形第１層３ａと、オーミックコンタクトに適するキャリア濃度の大きいｎ+ 形第２層３ｂと、キャリア濃度が任意のｎ形第３層３ｃとからなっており、活性層４（発光層）に接するｎ形第１層３ａのキャリア濃度よりキャリア濃度が大きいｎ+ 形第２層３ｂにｎ側電極９が設けられていることに特徴がある。
【００１２】
このようなｎ形層３を形成するには、ｎ形層３をエピタキシャル成長する際に、導入するドーパントの量を調整することにより得られる。すなわち、たとえばＭＯＣＶＤ法により半導体層を積層する場合、所望の半導体層にするための反応ガスと共に導入するドーパントガスのたとえばＳｉＨ4 の流量を多くすればキャリア濃度を大きくすることができ、ＳｉＨ4 の流量を少なくすることによりキャリア濃度を小さくすることができる。そのため、バッファ層２上にたとえばキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3程度になるようにｎ形第３層３ｃを１〜２μｍ程度エピタキシャル成長した後に、ドーパントガスＳｉＨ4 の流量を多くしてさらに成長を続け、キャリア濃度が１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3程度のｎ+ 形第２層３ｂを２〜３μｍ程度成長し、さらにドーパントガスＳｉＨ4 の流量を減らして成長を続け、キャリア濃度が１×１０18〜３×１０18ｃｍ-3程度のｎ形第１層３ａを１〜２μｍ程度成長することにより得られる。
【００１３】
なお、ｎ形第１層３ａの厚さは、キャリアの閉込め作用をする程度に設けられればよく、少なくとも０.５μｍ程度あればよい。また、ｎ+ 形第２層３ｂは、エッチングにより露出させた表面にオーミックコンタクトが得られるように電極を設ける必要があるため、２μｍ程度以上設けられることが好ましい。ｎ形第３層３ｃのキャリア濃度は大きくても小さくてもよく、ドーパントがドープされていなくてもよい。したがって、このｎ形第３層はなくてｎ形第１層３ａと、ｎ+ 形第２層３ｂとからのみなっていても、ｎ形第１層３ａが活性層４に接しており、ｎ+ 形第２層３ｂにｎ側電極９が設けられる構造になっておればよい。
【００１４】
半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２が０.０１〜０.２μｍ程度、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなり、少なくともｎ形第１層３ａおよびｎ+ 形第２層３ｂを有する前述の構造のｎ形層３、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４が０.０５〜０.３μｍ程度、およびｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が０.２〜１μｍ程度、基板１上にそれぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、ＡｌＧａＮ系化合物半導体は、キャリアの閉込め効果を向上させるため、ｎ形およびｐ形のクラッド層の活性層４側に設けられる場合がある。したがって、ｎ形第１層３ａをＡｌＧａＮ系化合物半導体層で、ｎ+ 形第２層をＧａＮ層で形成することもできる。
【００１５】
半導体積層部１０のｐ形層５に図示しない拡散メタル層を介して電気的に接続されるように、たとえばＴｉとＡｕの積層構造からなるｐ側電極８が設けられ、半導体積層部１０の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ+ 形第２層３ｂに、たとえばＴｉとＡｌの合金層からなるｎ側電極９が設けられ、ウェハからチップ化されて本発明のＬＥＤチップが形成されている。
【００１６】
この半導体発光素子を製造するには、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（以下、ＮＨ3 という）などの反応ガスおよびｎ形のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 などを供給して、まず、たとえばサファイアからなる絶縁基板１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層２を０.０１〜０.２μｍ程度、ドーパントガスＳｉＨ4 の流量を全体のガス量に対して０〜１×１０-4ｖｏｌ％程度にして同じ組成でキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3程度のｎ形第３層３ｃを２μｍ程度成長し、ついでＳｉＨ4 の流量を１×１０-2ｖｏｌ％程度にしてキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3程度のｎ+ 形第２層３ｂを３μｍ程度、さらにＳｉＨ4 の流量を１×１０-3ｖｏｌ％程度にしてキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3程度のｎ形第１層３ａを２μｍ程度それぞれ成長する。さらに反応ガスとしてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を追加し、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。
【００１７】
ついで、反応ガスのＴＭＩｎをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）に変更し、ドーパントガスとしてたとえばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎを導入して、キャリア濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3程度のｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層およびＴＭＡを止めてｐ形のＧａＮ層をそれぞれ０.１〜０.５μｍ程度づつ積層し、ｐ形層５を形成する。
【００１８】
その後、たとえばＮｉおよびＡｕを蒸着してシンターすることにより拡散メタル層を２〜１００ｎｍ程度形成する。ついで、ｎ側電極９を形成するためｎ+ 形第２層３ｂが露出するように、積層された半導体積層部１０の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングをする。そして、真空蒸着などにより金属膜を設け、シンターすることによりｐ側電極８およびｎ側電極９を形成し、チップ化する。その結果、図１に示される半導体発光素子が得られる。
【００１９】
本発明の半導体発光素子によれば、発光層（図１の例では活性層４）側のｎ形層はそのキャリア閉込めに最適なキャリア濃度のｎ形第１層で形成されながら、ｎ側電極が設けられる部分はキャリア濃度が大きいｎ+ 形第２層により形成されているため、優れた発光特性を有しながら良好なオーミックコンタクトで電極を設けることができる。なお、ｐ側電極は拡散メタル層を介して設けられるため、オーミックコンタクトのためのｐ形層のキャリア濃度は余り問題にならない。その結果、接触抵抗が下がり、順方向電圧Ｖf の低い半導体発光素子が得られ、発光効率が向上すると共に、電源電圧を低くすることができる。
【００２０】
前述の例では、ｎ側電極９としてＴｉとＡｌとの合金層を用いたが、ｎ側電極９が設けられるｎ形層３の部分のキャリア濃度が大きく、オーミックコンタクト特性が向上するため、他のＴｉ-Ａｕ、Ｎｉ-Ａｕ、Ｔｉ-Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔなどを用いることもできる。
【００２１】
図２は図１の変形例を示す半導体発光素子のチップの断面形状を示す図である。すなわち、この例はｎ側電極９を半導体積層部１０の一部をエッチング除去してｎ形層３を露出させるのではなく、基板１の一部をエッチングにより除去してｎ+ 形第２層３ｂを露出させ、基板１側にｎ側電極９が設けられている。この場合、ｎ形第３層はない方が好ましいが、キャリア濃度が小さいｎ形第３層が設けられている場合は、基板１のエッチングの際にｎ形第３層までエッチングをしてｎ+ 形第２層３ｂが露出するようにコンタクト孔１ａを設ければよい。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
図３はさらに他の変形例を示す図で、この例はｐ側電極８側にＡｌなどからなる金属板１１が設けられて新たな基板とされると共に、半導体層を積層する際のサファイア基板は研磨などにより除去され、その除去により露出したｎ+ 形第２層３ｂにｎ側電極９が設けられているものである。このような構造の半導体発光素子においても、ｎ形層３が活性層４側にキャリア濃度が発光特性に合わせて形成されたｎ形第１層３ａと、ｎ側電極９が設けられる側にキャリア濃度が大きいｎ+ 形第２層３ｂが設けられることにより、前述と同様の効果が得られる。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
以上の各例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持され、活性層４を発光層としたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の半導体発光素子でも同様である。この場合、ｐｎ接合部に発光層が形成され、ｐｎ接合部分側に発光特性に合わせたキャリア濃度のｎ形第１層で形成され、電極が形成される部分がｎ+ 形第２層になるようにｎ形層が形成される。また、前述の各例において積層される半導体層の材料も一例であって、その材料には限定されない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、発光特性を維持しながら電極と半導体層とのオーミックコンタクト特性が向上し、動作電圧が低く発光効率の優れた半導体発光素子が得られる。さらに、良好なオーミックコンタクトが得られやすいため、ｎ側の電極金属材料の制限が緩和され、電極金属の選択範囲が広がるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態のＬＥＤチップの断面説明図である。
【図２】図１の半導体発光素子の変形例を示すＬＥＤチップの断面説明図である。
【図３】図１の半導体発光素子の他の変形例を示すＬＥＤチップの断面説明図である。
【図４】従来の半導体発光素子のＬＥＤチップの一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
３ａ  ｎ形第１層
３ｂ  ｎ+ 形第２層
４    活性層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
９    ｎ側電極
１０    半導体積層部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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