JP2008078297A - ＧａＮ系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル接合を含むＧａＮ系半導体発光素子における動作電圧の低減。
【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子（１０）は、複数のＧａＮ系半導体層が積層されてなる積層体Ｌを有し、積層体Ｌには、第１のｎ型層（２）と、発光層（３）と、ｐ型層（４）と、第２のｎ型層（５）とがこの順に含まれている。ｐ型層（４）と第２のｎ型層（５）とはヘテロ界面をなすように接しており、第２のｎ型層（５）には正電極（Ｅ１）が形成されている。
一実施形態では、ヘテロ界面をなすｐ^＋型層（４ｃ）とｎ^＋型層（５ａ）とにおいて、ｐ^＋型層（４ｃ）のバンドギャップがｎ^＋型層（５ａ）のバンドギャップよりも大きい。
一実施形態では、ｐ型層（４）と第２のｎ型層（５）とがなすヘテロ界面の位置に、ｐ型不純物および／またはｎ型不純物の層厚方向の分布のピークを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子構造の主要部をＧａＮ系半導体で構成したＧａＮ系半導体発光素子に関する。

ＧａＮ系半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物半導体などとも呼ばれる。上記化学式において、３族元素の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、ＧａＮ半導体に含まれる。ｐｎ接合型の発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成した発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などのＧａＮ系半導体発光素子が近年実用化されるに至っている。

発光ダイオードを例にすると、実用化されているＧａＮ系発光ダイオードは、サファイア基板上に、ＧａＮ系半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層を気相成長法により順次成長させて積層し、ｎ型層とｐ型層のそれぞれに負電極、正電極を形成した構成を有している。一方、より高い発光効率が期待できるＧａＮ系発光ダイオードとして、正電極をｐ型層に形成しないで、ｐ型層とトンネル接合を介して接合したｎ型層に形成した構成を有するものが検討されている（特許文献１、特許文献２）。本明細書では、このような構成を有するＧａＮ系発光ダイオードを「Ｎ−Ｎ−ＬＥＤ」とも呼ぶことにする。

特開２００２−３１９７０３号公報 特開２００４−１２８５０２号公報

Ｎ−Ｎ−ＬＥＤのような、素子構造中にトンネル接合を含むＧａＮ系半導体発光素子においては、動作電圧の更なる低減が望まれている。本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、トンネル接合を含むＧａＮ系半導体発光素子における動作電圧の低減をその主な目的とする。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、以下の特徴を有する。
（１）複数のＧａＮ系半導体層が積層されてなる積層体を有し、該積層体には、第１のｎ型層と、発光層と、ｐ型層と、第２のｎ型層とがこの順に含まれており、前記ｐ型層と前記第２のｎ型層とはヘテロ界面をなすように接しており、前記第２のｎ型層に正電極が形成されている、ＧａＮ系半導体発光素子。
（２）前記ｐ型層に含まれるｐ^＋型層と、前記第２のｎ型層に含まれるｎ^＋型層とが、ヘテロ界面をなしており、該ｐ^＋型層のバンドギャップが該ｎ^＋型層のバンドギャップよりも大きい、前記（１）に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（３）前記ｐ型層と前記第２のｎ型層とがなすヘテロ界面の位置に、ｐ型不純物および／またはｎ型不純物の層厚方向の分布のピークを有する、前記（１）または（２）に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（４）前記積層体が、基板上に形成されているとともに、該基板側から、第１のｎ型層と、発光層と、ｐ型層と、第２のｎ型層とを、この順に含んでおり、正電極が該第２のｎ型層上に形成されている、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、動作電圧の低減により発熱量の小さいものとなるので、劣化の進行が遅く、素子の寿命や信頼性に優れたものとなる。また、発熱量によって許容電流が制限される条件で用いる場合には、動作電圧の高い従来の素子に比べて、より大きな電流で動作させることができる。

（実施例）
図１に本発明の実施例に係るＮ−Ｎ−ＬＥＤ１０の断面図を示す。図１において、Ｓはサファイアからなる基板であり、その上に、複数のＧａＮ系半導体層からなる積層体Ｌが形成されている。この積層体Ｌは、下から順に、ＧａＮからなるバッファ層１、第１のｎ型層２（ｎ型ＧａＮクラッド層）、発光層３、ｐ型層４（ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層４ａ、ｐ型ＧａＮ中間層４ｂ、ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃ）、第２のｎ型層５（ｎ^＋型ＧａＮ層５ａ、ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｂ）を含んでいる。第２のｎ型層５上（ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｂ上）には、正電極Ｅ１が形成されている。この正電極Ｅ１は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透光性電極Ｅ１ａと、その上に形成されたボンディングパッドＥ１ｂとから構成されている。第２のｎ型層５の表面側からのエッチングによって部分的に露出した第１のｎ型層２（ｎ型ＧａＮクラッド層）の表面には負電極Ｅ２が形成されている。負電極Ｅ２は、Ｔｉを下層とし、その上にＡｌを積層してなる、Ｔｉ／Ａｌ電極である。

Ｎ−Ｎ−ＬＥＤ１０において、発光に関係するｐｎ接合は第１のｎ型層２とｐ型層４との間に形成されており、このｐｎ接合の位置に発光層３が設けられている。発光層３は、、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ井戸層とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｘ＞ｙ）障壁層とからなる量子井戸構造を有している。ｐ型層４と第２のｎ型層５との間には、ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃとｎ^＋型ＧａＮ層５ａとで形成されるトンネル接合が存在しており、ＬＥＤに順方向電圧を印加すると、すなわち、第１のｎ型層２とｐ型層４との間のｐｎ接合（発光に関係するｐｎ接合）に順方向電圧が印加されるように、正電極Ｅ１および負電極Ｅ２の間に電圧を加えると、逆方向トンネリングによって、第２のｎ型層５からｐ型層４に正孔が注入される。ここで特徴的なのは、ｐ型層４と第２のｎ型層５との界面、すなわち、トンネル接合を構成するｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃとｎ^＋型ＧａＮ層５ａとの界面が、格子整合していないヘテロ界面となっていることである。ヘテロ界面には不純物の拡散を妨げる作用があるために、ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃに添加されたｐ型不純物および、ｎ^＋型ＧａＮ層５ａに添加されたｎ型不純物のそれぞれの、ヘテロ界面を横切っての拡散が抑えられる。その結果、トンネル接合近傍での膜厚方向のキャリア濃度変化が急峻となり、逆方向トンネリング障壁が薄くなるために、第２のｎ型層５からｐ型層４への正孔の注入が低電圧で生じるようになり、それによってＬＥＤの動作電圧が低減される。

図１に示すＮ−Ｎ−ＬＥＤ１０を作製し、評価した結果を次に示す。
まず、基板Ｓとして直径２インチのＣ面サファイア基板を準備し、ＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて該基板Ｓ上に、ＧａＮからなるバッファ層１、ｎ型ＧａＮクラッド層２、発光層３、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層４ａ、ｐ型ＧａＮ中間層４ｂ、ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃ、ｎ^＋型ＧａＮ層５ａ、ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｂをこの順に成長させた。ここで、ｎ型ＧａＮクラッド層２はシランを用いてＳｉ（ケイ素）を５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加し、約４μｍの膜厚に形成した。発光層３は、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層（発光波長４１０ｎｍ）とを６層ずつ交互に成長させることにより形成した。ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層４ａは、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いてＭｇ（マグネシウム）を５×１０^１９ｃｍ^−３の濃度に添加し、３０ｎｍの膜厚に形成した。ｐ型ＧａＮ中間層４ｂは、Ｃｐ_２Ｍｇを用いてＭｇを８×１０^１９ｃｍ^−３の濃度に添加し、１５０ｎｍの膜厚に形成した。ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃは、Ｃｐ_２Ｍｇを用いてＭｇを１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度に添加し、１０ｎｍの膜厚に形成した。ｎ^＋型ＧａＮ層５ａは、シランを用いてＳｉを２×１０^１９ｃｍ^−３の濃度に添加し、１０ｎｍの膜厚に形成した。ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｂは、シランを用いてＳｉを５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度に添加し、５０ｎｍの膜厚に形成した。

ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｂの成長完了後、ｐ型層に添加したＭｇを活性化させるために、ウェハにアニーリング処理を施した。アニーリング処理後、ｎ型ＧａＮコンタクト層５ｂ上に、ＩＴＯからなる透光性電極Ｅ１ａを形成した。次に、反応性イオンエッチング法により、ｎ型ＧａＮクラッド層２の一部を露出させ、その表面に蒸着法により負電極Ｅ２を形成した。負電極Ｅ２の形成の際、同時に、負電極Ｅ２と同じ材料（Ｔｉ／Ａｌ）からなるボンディングパッドＥ１ｂを、透光性電極Ｅ１ａの上に形成した。その後、ウェハ上面の、ボンディングパッドＥ１ｂと負電極Ｅ２の表面を除いた領域に、酸化ケイ素からなる絶縁保護膜（図示せず）を形成した。

最後に、サファイア基板Ｓの下面を研磨して、該基板Ｓの厚さを１００μｍまで落としたうえで、スクライバーを用いた通常の方法によってウェハを切断し、素子をチップ状に切り出した。このようにして、上面形状が略正方形で、その１辺の長さが約３５０μｍの、Ｎ−Ｎ−ＬＥＤ１０を得た。

上記得られたＮ−Ｎ−ＬＥＤ１０をステム上に固定し、順方向に２０ｍＡの電流を流すのに要する電圧（順方向電圧）を測定したところ、３．４Ｖであった。また、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により層厚方向の不純物の分布を調査したところ、ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃとｎ^＋型ＧａＮ層５ａとの界面の位置に、ＳｉとＭｇのピークが観測された。このことから、不純物の拡散が該界面により抑制されていることが確認された。

（比較例）
ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層４ｃを形成する代わりに、Ｍｇ添加量および膜厚を同じとしたｐ^＋型ＧａＮ層を形成したこと以外は上記実施例と同様にして、Ｎ−Ｎ−ＬＥＤを作製し、評価を行った。その結果、２０ｍＡ通電時の順方向電圧は３．６Ｖであった。

（他の好適な実施形態）
本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、第１のｎ型層とｐ型層とで発光層を挟んだｐｎ接合型の発光素子構造を有するが、該構造の詳細については特に限定されるものではなく、従来技術を適宜参照のうえ、当該発光素子の種類（ＬＥＤ、ＬＤ）や、発光態様（面発光、端面発光）、発光波長などに応じて設定することができる。第１のｎ型層に電子電流を注入するための負電極は、上記実施例のようにｎ型クラッド層の表面上に形成する他、ｎ型クラッド層とは別個にｎ型コンタクト層を設けて、その表面に形成してもよい。また、導電性基板上に第１のｎ型層を形成する場合には、導電性基板の下面に負電極を形成することもできる。これらの負電極の形成態様は、いずれも当該技術分野ではよく知られたものである。

ｐ型クラッド層と、トンネル接合を構成するｐ^＋型層との間には、上記実施例のようにｐ型ＧａＮ系半導体からなる中間層を設けて、トンネル接合が発光素子構造に与える影響を緩和することが好ましいが、必須ではなく、ｐ型クラッド層の直上にｐ^＋型層を形成することもできる。中間層を設ける場合、結晶品質を良好にするうえではＧａＮで形成することが好ましく、また、その膜厚は１００ｎｍ以上とすることが好ましく、１５０ｎｍ以上とすることがより好ましい。この中間層はアンドープとしてもよいが、素子内部に望ましくないバンド構造の屈曲が形成されないようにするために、不純物を添加してｐ型とすることが好ましい。ｐ型不純物としてＭｇを用いる場合、中間層のＭｇ濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３とすることが好ましい。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、上述のように、トンネル接合を構成するｐ^＋型層とｎ^＋型層との界面が、格子不整合なヘテロ界面となるように構成する。このようなヘテロ界面を構成するＧａＮ系半導体の組としては、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの他、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、Ｉｎ_ｐ１Ｇａ_１−ｐ１Ｎ／Ｉｎ_ｐ２Ｇａ_１−ｐ２Ｎ（ｐ１≠ｐ２）、Ａｌ_ｑ１Ｇａ_１−ｑ１Ｎ／Ａｌ_ｑ２Ｇａ_１−ｑ２Ｎ（ｑ１≠ｑ２）、格子定数の異なるＩｎＡｌＧａＮどうしの組など、任意の組み合わせが例示される。好ましくは、正孔キャリアの逆方向トンネリングがより起こり易くなるように、ｐ^＋型層のバンドギャップをｎ^＋型層のバンドギャップより大きくする。また、ｐ^＋型層とｎ^＋型層の一方は、良好な品質の結晶を得ることが容易な二元結晶のＧａＮで形成することが好ましい。

トンネル接合を構成するｐ^＋型層とｎ^＋型層のいずれかまたは両方をＩｎＧａＮで形成する場合には、そのバンドギャップを発光層のバンドギャップ（発光層を量子井戸構造とする場合には、発光層に含まれる井戸層のバンドギャップ）よりも大きくして、発光層で生じる光がトンネル接合部で吸収されないようにすることが好ましい。一方、トンネル接合を構成するｐ^＋型層とｎ^＋型層のいずれかまたは両方をＡｌＧａＮで形成する場合には、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を大きくし過ぎると当該層における不純物の活性化率が下がり、キャリア濃度が低くなるために、逆方向トンネリング障壁が厚くなって素子の動作電圧が高くなる。よって、この場合のＡｌＧａＮのＡｌ組成は５％以下とすることが好ましく、３％以下とすることがより好ましい。

トンネル接合を構成するＧａＮ系半導体に添加する不純物は、ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが最も好ましいが、これらに限定されるものではなく、当該技術分野で公知のｎ型不純物、ｐ型不純物を任意に用いることができる。トンネル接合を構成するｐ^＋型層およびｎ^＋型層に添加する不純物の濃度は、ｐ^＋層は８×１０^１９ｃｍ^−３〜５×１０^２０ｃｍ^−３、ｎ^＋層は５×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３とすることが好ましい。ｐ^＋型層およびｎ^＋型層のそれぞれの膜厚は、５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができ、好ましくは、１０ｎｍ〜５０ｎｍである。ｐ^＋型層およびｎ^＋型層の不純物濃度や膜厚は公知技術を参照して設定してもよい。

ｎ^＋型層を成長させる直前に、テトラエチルシラン、ジシラン、シラン等のシラン系化合物を、水素ガスをキャリアガスとして気相成長装置の成長炉内に供給して、ｐ^＋型層の表面にＳｉを吸着させ、そのうえで、ｎ^＋型層を形成してもよい。トンネル接合をこのようにして形成すると、恐らくは、特に高濃度にＳｉが取り込まれたｎ^＋型層の領域が、ｐ^＋型層との界面近傍に部分的に形成されるために、素子の動作電圧をより低くすることができる。

ｎ^＋型層と正電極との間には、上記実施例のように、ｎ型コンタクト層を介在させることが好ましい。ｎ^＋型ＧａＮ系半導体層は、不純物を高濃度にドープする関係から、結晶性が低くなるので、その表面に直接正電極を形成すると接触抵抗が高くなる傾向があるからである。ｎ型コンタクト層を設ける場合、ｎ型コンタクト層は２元結晶のＧａＮで形成することが好ましく、膜厚は５０ｎｍ以上、ｎ型不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３とすることが好ましい。

正電極は、上記実施例では透明電極としているが、発光層で発生する光を主として基板の下面側から取り出す素子構成を採用する場合には、反射性の電極とすることが好ましい。正電極を透明電極とする場合、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウムなどの酸化物半導体材料で形成することが好ましいが、金属薄膜からなる透明電極を用いることもできる。正電極を反射性電極とする場合には、ＡｌまたはＡｌ合金で形成することが好ましい。反射性電極の他の好ましい構成として、上記の酸化物半導体からなる透明層と、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈなどからなる反射層とを積層した構成が挙げられる。

ＧａＮ系半導体層の成長に用いた基板（成長用基板）を最終的な発光素子構造中に残すことは必須ではなく、これを別途準備した支持基板に置換したり、あるいは、成長用基板を除去するとともに、第２のｎ型層の表面に形成した正電極に対して、別途準備した支持基板を接着固定することができる。後者において、支持基板を接着する代わりに、正電極の表面に適当な前処理を施したうえで、該表面を下地層として電解メッキまたは無電解メッキを行って厚膜の金属層を析出させ、その金属層を支持基板として用いることもできる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の効果が生じる範囲で種々の変形が可能である。

本発明の実施例に係るＧａＮ系半導体発光素子の断面図である。

符号の説明

１０ ＧａＮ系半導体発光素子
Ｓ 基板
Ｌ 積層体
１ バッファ層
２ 第１のｎ型層（ｎ型ＧａＮクラッド層）
３ 発光層
４ ｐ型層
４ａ ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層
４ｂ ｐ型ＧａＮ中間層
４ｃ ｐ^＋型Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層
５ 第２のｎ型層
５ａ ｎ^＋型ＧａＮ層
５ｂ ｎ型ＧａＮコンタクト層
Ｅ１ 正電極
Ｅ２ 負電極

Claims (4)

1. 複数のＧａＮ系半導体層が積層されてなる積層体を有し、該積層体には、第１のｎ型層と、発光層と、ｐ型層と、第２のｎ型層とがこの順に含まれており、前記ｐ型層と前記第２のｎ型層とはヘテロ界面をなすように接しており、前記第２のｎ型層に正電極が形成されている、ＧａＮ系半導体発光素子。
2. 前記ｐ型層に含まれるｐ^＋型層と、前記第２のｎ型層に含まれるｎ^＋型層とが、ヘテロ界面をなしており、該ｐ^＋型層のバンドギャップが該ｎ^＋型層のバンドギャップよりも大きい、請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
3. 前記ｐ型層と前記第２のｎ型層とがなすヘテロ界面の位置に、ｐ型不純物および／またはｎ型不純物の層厚方向の分布のピークを有する、請求項１または２に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
4. 前記積層体が、基板上に形成されているとともに、該基板側から、第１のｎ型層と、発光層と、ｐ型層と、第２のｎ型層とを、この順に含んでおり、正電極が該第２のｎ型層上に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
   

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