JP4948134B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特にその発光効率の改善に関する。

窒化物半導体ＬＥＤ（発光ダイオード）のような窒化物半導体発光素子において、特許文献１の特許第２９３２４６７号公報によれば、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に挟まれた活性層は、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの量子井戸層とＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎの障壁層とが交互に５周期繰り返された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。

また、特許文献２の特許第３６２２５６２号公報によれば、窒化物半導体発光素子のＭＱＷ活性層において、Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎの井戸層とＧａＮの障壁層とが交互に５周期繰り返されている。

以上のように、特許文献１や特許文献２による先行技術では、各障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮのいずれか単一の層で形成されている。

なお、ＩｎＮはＧａＮに比べて小さなエネルギバンドギャップを有するので、相対的にＩｎ濃度の高い層が量子井戸層として作用し、相対的にＩｎ濃度の低い層が障壁層として作用し得るのである。ＭＱＷ活性層の井戸層内にキャリアをトラップして再結合による発光効率を高める観点からは、量子井戸層と障壁層とのバンドギャップ差が大きい方が好ましく、また障壁層の厚さをある程度厚くし得ることも好ましい。
特許第２９３２４６７号公報 特許第３６２２５６２号公報

窒化物半導体発光素子のＭＱＷ活性層を高品質化させて発光効率を向上させるための要因として、井戸層と障壁層との格子不整合によってそれらの界面に生じる歪の影響を低減させることが考えられる。

しかし、特許文献２におけるように障壁層にＧａＮを用いる場合、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層との間の格子不整合による歪の影響が避けられない。特に、青色発光や緑色発光の窒化物半導体発光素子中のＭＱＷ活性層において高いＩｎ濃度の井戸層が望まれる場合やある程度厚い障壁層が望まれる場合に、この格子不整合による歪の影響がより顕著となる。

また、特許文献１におけるように井戸層と障壁層との両方にＩｎＧａＮを用いる場合でも、井戸層に比べて十分に大きなバンドギャップを有することが求められる障壁層においてＩｎ濃度を高くすることはできない。すなわち、井戸層と障壁層との間においてＩｎ濃度に差異を設けなければならず、そのことに伴う井戸層とＧａＮ障壁層との間の格子不整合による歪の影響が避けられない。

以上のような窒化物半導体発光素子のＭＱＷ活性層における格子不整合に関連する問題の困難性にもかかわらず、本発明は、井戸層と障壁層との界面における格子不整合による歪の影響を軽減して、発光効率の改善された窒化物半導体発光素子を提供することを主要な目的としている。

本発明の一つの特徴では、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半導体発光素子において、活性層は複数のＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）量子井戸層と複数のＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）障壁層が周期的に積層された多重量子井戸構造を有し、複数の障壁層の少なくとも一層は互いにＩｎ組成比の異なる複数の障壁サブ層が周期的に積層された超格子障壁構造を有しており、この超格子障壁構造を有する障壁層は、Ｉｎ _y1 Ｇａ _1-y1 Ｎ（０＜ｙ１＜１）の障壁サブ層とＩｎ _y2 Ｇａ _1-y2 Ｎ（ｙ１＜ｙ２＜１）の障壁サブ層とを含み、障壁層内において相対的小さなＩｎ組成比を有する障壁サブ層は相対的に大きなＩｎ組成比を有する障壁サブ層に比べて大きい厚さを有している。

本発明の他の特徴では、複数の障壁層のうちで、ｐ型窒化物半導体層に接する障壁層以外の障壁層が超格子障壁構造を有している。なお、井戸層は、障壁層に含まれるいずれの障壁サブ層と比べても、大きいＩｎ組成比を有していることが好ましい。

本発明のさらに他の特徴では、ｎ型窒化物半導体層は活性層に接するｎ側超格子層を含み、このｎ側超格子層はＩｎ_z1Ｇａ_1-z1Ｎ(０＜ｚ１＜１)のｎ側超格子サブ層とＩｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ(０≦ｚ２＜ｚ１)のｎ側超格子サブ層とを周期的に含んでいる。

なお、井戸層は、ｎ側超格子層に含まれるいずれのｎ側超格子サブ層と比べても、大きいＩｎ組成比を有していることが好ましい。また、ｎ側超格子層内において、相対的に小さなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層は、相対的に大きなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層に比べて、大きな厚さを有していることが好ましい。

以上のような本発明によって、井戸層と障壁層との界面における格子不整合による歪の影響を軽減して、窒化物半導体発光素子の発光効率を改善することができ、また低注入電流から高注入電流にかけての発光波長シフトを小さくすることができる。

以下において、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子が、幾つかの比較例とともに詳細に説明される。

［実施例］
図１は、本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の積層構造を図解する模式的断面図である。ただし、本発明がこの実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。

図１のＬＥＤ素子は、サファイア基板１上に順次積層されたＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮコンタクト層３、ｎ側超格子層４、活性層５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６、およびｐ型コンタクト層７を含んでいる。

ｐ型コンタクト層７はｐ側透光性電極８によって覆われ、その部分的領域上にｐ側パッド電極９が形成されている。また、ｎ型コンタクト層３の部分的露出領域上には、ｎ側パッド電極１０が形成されている。

上述のような本発明の実施例による図１のＬＥＤ素子は、以下のようなプロセスによって作製することができる。

（基板前処理）
まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）装置の反応室内に、サファイア（Ｃ面）基板１をセットする。そして、その反応室内に水素を流しながら基板温度を１０５０℃まで上昇させることによって、その基板のドライクリーニングを行う。

（バッファ層２）
クリーニングされた基板の温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとしての水素とともに原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用いて、基板１上にＧａＮバッファ層２を約２０ｎｍの厚さに成長させる。

（ｎ型コンタクト層３）
ＧａＮバッファ層２の形成後に基板温度を１０５０℃まで上げ、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度にドープしたｎ側ＧａＮコンタクト層３を厚さ６μｍに成長させる。

（ｎ側超格子層４）
ｎ側ＧａＮコンタクト層３の形成後に基板温度を８００℃に下げ、キャリアガスとしての窒素とともに原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧ、およびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を利用して、ｎ側超格子層４を形成する。この際、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなる第１種ｎ側超格子サブ層を厚さ２ｎｍに成長させ、その上にＧａＮからなる第２種ｎ側超格子サブ層を厚さ１５ｎｍに成長させる。これら第１種と第２種のｎ側超格子サブ層を交互に９周期成長させることによって、ｎ側超格子層４を形成する。

なお、ｎ側超格子サブ層のＩｎ組成比や厚さなどが、本実施例に例示されたものに限定されるものではないことは当然である。ただし、相対的に小さなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層は、相対的に大きなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層に比べて、大きい厚さを有することが好ましい。これは、ｎ側超格子層４が、活性層５に比べて、大きなバンドギャップを有することが望まれるからである。より具体的には、相対的に小さなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層は５〜２０ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましく、相対的に大きなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層は１〜５ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。

（活性層５）
ｎ側超格子層４の形成後に基板温度を７５０℃に下げ、キャリアガスとしての窒素とともに原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧ、およびＴＭＩを利用して、Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる量子井戸層を２．５ｎｍの厚さに成長させる。

その後、ＧａＮからなる第１種障壁サブ層を厚さ５ｎｍに成長させ、その上にＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる第２種障壁サブ層を厚さ１．５ｎｍに成長させる。これら第１種と第２種の障壁サブ層を交互に３周期成長させることによって、厚さ１９．５ｎｍの超格子障壁構造を形成する。

そして、量子井戸層と超格子障壁構造を有する障壁層とを交互に５周期成長させる。その後、井戸層をもう一層成長させた後に、ＧａＮの単一層からなる障壁層を２０ｎｍの厚さに成長させる。こうして、ＭＱＷ活性層５が完成する。

なお、障壁サブ層のＩｎ組成比や厚さなども、本実施例に例示されたものに限定されるものではないことは当然である。ただし、相対的に小さなＩｎ組成比を有する障壁サブ層は、相対的に大きなＩｎ組成比を有する障壁サブ層に比べて、大きい厚さを有することが好ましい。これは、障壁層が、井戸層に比べて、大きなバンドギャップを有すべきだからである。より具体的には、相対的に小さなＩｎ組成比を有する障壁サブ層は２〜１０ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましく、相対的に大きなＩｎ組成比を障壁サブ層は１〜３ｎｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。

（ｐ型クラッド層６）
活性層５の形成後に基板温度を９５０℃に上げ、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＴＭＧ、および不純物ガスとしてのＣＰ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度にドープしたｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層６を約３０ｎｍの厚さに成長させる。

（ｐ型コンタクト層７）
ｐ型クラッド層６の形成後に基板温度を９５０℃に保持したままで、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのアンモニアとＴＭＧ、および不純物ガスとしてのＣＰ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度にドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層７を厚さ０．１μｍに成長させる。

（アニーリング）
ｐ型コンタクト層７の形成後に基板温度を７００℃に下げ、キャリアガスとしての窒素のみを反応室内に導入して、ｐ型不純物のＭｇを活性化するためのアニーリングを行う。

（電極形成）
その後、基板１上に複数の半導体層２−７を成長させることによって得られたウエハを反応室から取り出し、ｐ型コンタクト層７の表面に所定の形状にパターニングされたマスク（図示せず）を形成する。そのマスクを利用して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層７側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ型コンタクト層３を部分的に露出させる。

そのエッチング後、ｐ型コンタクト層７上のほぼ全面にＰｄを含む透光性電極８を厚さ７ｎｍに形成し、その上の所定の部分的領域にｐ側Ａｕパッド電極９を厚さ０．５μｍに形成する。他方、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層３の部分的露出面上にはＴｉとＡｌを含むｎ側パッド電極１０を形成する。これらの電極の形成によってＬＥＤ素子が完成する。

こうして得られた本実施例のＬＥＤ素子においては、順方向電流が２０ｍＡの下で発光波長が４７０ｎｍで発光出力が４．０ｍＷであり、また順方向電流が０．１〜２０ｍＡの範囲内において発光波長シフト量が約２ｎｍであった。

［比較例１］
比較例１によるＬＥＤ素子は、上述の実施例に比べて、活性層５の構造が変更されたことのみにおいて異なっていた。そのように変更された比較例１における活性層５は、以下のようにして形成された。

すなわち、基板温度７５０℃の下で、キャリアガスとしての水素とともに原料ガスとしてのアンモニア、ＴＭＧ、およびＴＭＩを用いて、Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる井戸層を２．５ｎｍの厚さに成長させ、単一のＧａＮ層からなる障壁層を１５ｎｍの厚さに成長させる。これらの井戸層と障壁層とを交互に６周期成長させて、比較例１におけるＭＱＷ活性層５が形成された。

こうして得られた比較例１のＬＥＤ素子においては、順方向電流が２０ｍＡの下で発光波長が４６５ｎｍで発光出力が３．０ｍＷであり、また順方向電流が０．１〜２０ｍＡの範囲内において発光波長シフト量が約１０ｎｍであった。

上述の本発明の実施例によるＬＥＤ素子をこの比較例１と比較すれば、実施例のＬＥＤ素子においては、活性層５中の障壁層に超格子構造を含めることによって、発光出力が顕著に向上している。このことは、実施例において活性層５中の歪の影響が緩和されて、発光効率が向上していることを表している。また、実施例のＬＥＤ素子では、活性層５中の歪の影響の緩和に伴って、発光波長シフト量も顕著に小さくなっている。

［比較例２］
比較例２によるＬＥＤ素子は、上述の実施例に比べて、ｎ側超格子層４が省略されたことのみにおいて異なっていた。

この比較例２のＬＥＤ素子においては、順方向電流が２０ｍＡの下で発光波長が４７０ｎｍであって発光出力が４．０ｍＷであり、また順方向電流が０．１〜２０ｍＡの範囲内において発光波長シフト量が約４ｎｍであった。

上述の本発明の実施例によるＬＥＤ素子をこの比較例２と比較すれば、実施例のＬＥＤ素子においては、ｎ側超格子層４を設けることによって発光波長シフト量が小さくなっている。このことは、実施例のＬＥＤ素子において、ｎ側超格子層４も活性層５中の歪の影響の緩和に寄与していることを示唆している。

以上のように、本発明によれば、井戸層と障壁層との界面における格子不整合による歪の影響を軽減することによって、発光効率が改善されかつ低注入電流から高注入電流までの発光波長シフト量が抑制された窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の積層構造を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 基板、２ バッファ層、３ ｎ型コンタクト層、４ ｎ側超格子層、５ ＭＱＷ活性層、６ ｐ型クラッド層、７ ｐ型コンタクト層、８ 透光性電極、９ ｐ側パッド電極、１０ ｎ側パッド電極。

Claims (8)

1. ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、
   前記活性層は、複数のＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）量子井戸層と複数のＩｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）障壁層が周期的に積層された多重量子井戸構造を有し、
   前記複数の障壁層の少なくとも一層は、互いにＩｎ組成比の異なる複数の障壁サブ層が周期的に積層された超格子障壁構造を有しており、
   前記超格子障壁構造を有する障壁層は、Ｉｎ _y1 Ｇａ _1-y1 Ｎ（０＜ｙ１＜１）の障壁サブ層とＩｎ _y2 Ｇａ _1-y2 Ｎ（ｙ１＜ｙ２＜１）の障壁サブ層とを含み、
   前記障壁層内において、相対的小さなＩｎ組成比を有する前記障壁サブ層は、相対的に大きなＩｎ組成比を有する前記障壁サブ層に比べて、大きい厚さを有していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記複数の障壁層のうちで、前記ｐ型窒化物半導体層に接する障壁層以外の障壁層が前記超格子障壁構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記井戸層は、前記障壁層に含まれるいずれの前記障壁サブ層と比べても、大きいＩｎ組成比を有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記相対的小さなＩｎ組成比を有する障壁サブ層は２〜１０ｎｍの範囲内の厚さを有し、前記相対的に大きなＩｎ組成比を有する障壁サブ層は１〜３ｎｍの範囲内の厚さを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｎ型窒化物半導体層は、前記活性層に接するｎ側超格子層を含み、
   このｎ側超格子層は、Ｉｎ_z1Ｇａ_1-z1Ｎ(０＜ｚ１＜１)のｎ側超格子サブ層とＩｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ(０≦ｚ２＜ｚ１)のｎ側超格子サブ層とを周期的に含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記井戸層は、前記ｎ側超格子層に含まれるいずれの前記ｎ側超格子サブ層と比べても、大きいＩｎ組成比を有していることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記ｎ側超格子層内において、相対的に小さなＩｎ組成比を有する前記ｎ側超格子サブ層は、相対的に大きなＩｎ組成比を有する前記ｎ側超格子サブ層に比べて、大きな厚さを有していることを特徴とする請求項５または６に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記相対的に小さなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層は５〜２０ｎｍの範囲内の厚さを有し、前記相対的に大きなＩｎ組成比を有するｎ側超格子サブ層は１〜５ｎｍの範囲内の厚さを有していることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。

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