JP2006332205A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 SiC基板を用いることにより、垂直型の発光素子としながら、基板と窒化物半導体層との格子不整合に伴う窒化物半導体層の膜質の低下に伴う発光出力の低下を防止し、かつ、基板側に進む光も有効に利用し得る窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 SiC基板1上に、屈折率が互いに相違する低屈折率層21と高屈折率層22とが交互に積層される光反射層2が直接設けられ、その光反射層2上に、発光層形成部3を少なくとも有するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部5が設けられている。そして、半導体積層部5の上面側に上部電極7が、SiC基板1の裏面に下部電極8がそれぞれ設けられている。
【選択図】 図1
【解決手段】 SiC基板1上に、屈折率が互いに相違する低屈折率層21と高屈折率層22とが交互に積層される光反射層2が直接設けられ、その光反射層2上に、発光層形成部3を少なくとも有するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部5が設けられている。そして、半導体積層部5の上面側に上部電極7が、SiC基板1の裏面に下部電極8がそれぞれ設けられている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、基板にSiCからなる半導体基板を用い、基板の裏面に一方の電極を設けながら、発光層形成部で発光する光を有効に取り出すことができ、外部量子効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子に関する。
従来の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、たとえばサファイア基板上に、バッファ層および発光層形成部を含む窒化物半導体積層部を成長し、その半導体積層部の一部をエッチングして半導体積層部の下層側の導電形層を露出させ、その露出させた下層側導電形層表面に下部電極を、半導体積層部の上面側に上部電極をそれぞれ設けることにより形成されている。このようなサファイアが基板として用いられると、サファイア基板は絶縁体であるため、半導体積層部の下層側の導電形層と接続する電極を基板の裏面に形成することができず、上述のように半導体積層部の一部をエッチングにより除去して下層の導電形層を露出させなければならない。そのため非常に製造工程が複雑になると共に、エッチングによるコンタミネーションが発光面や電極形成面などに付着して、発光出力の低下や電極接続部の電気抵抗の増大など電気的特性への問題も生じている。
このような問題を解決するため、基板としてSiCからなる半導体基板を用い、その上に窒化物半導体を用いて、バッファ層を介してダブルヘテロ接合の発光層形成部を成長する構造の半導体発光素子も考えられている。すなわち、図3に示されるように、SiC基板101上にバッファ層102が設けられ、その上に活性層104を下層半導体層103と上層半導体層105とでサンドイッチ構造にしたダブルヘテロ接合からなる発光層形成部106を積層し、その表面に上部電極107を、SiC基板101の裏面に下部電極108を形成することにより、発光層形成部106などの半導体積層部の一部をエッチングすることなく、半導体積層部の下層導電形層に接続する下部電極108を半導体基板101裏面に形成するものである(たとえば特許文献1参照)。
米国特許明細書第5523589号
前述のように、SiCを基板として用いることにより、半導体積層部をエッチングしなくても基板の裏面に一方の電極を形成することができて好ましい。しかしながら、SiC基板を用いても、窒化物半導体層との格子整合を完全に行うことはできず、その上に積層する窒化物半導体層の結晶性が悪いと発光効率が低下するという問題を有している。この場合、前述のように、SiC基板101と発光層形成部106との間にバッファ層102を介在させることが提案されているが、窒化物半導体では、AlNがSiCと格子定数が最も近く、できるだけAlの混晶比率の大きいAlGaN系化合物(AlとGaとの混晶比率が一義的でなく、種々取り得る化合物であることを意味する、以下の「系」も同じ意味で使用する)をバッファ層として介在させることが好ましいが、AlNは絶縁層となり、半導電性にすることができず、AlGaN系化合物にしても、Alの混晶比率を大きくすればするほどキャリア濃度を高くすることができず、SiC基板裏面に一方の電極を形成しようとすると、バッファ層のキャリア濃度を充分に上げる必要があり、キャリア濃度の観点からAlの混晶比率を上げるのは0.2程度が限度である。そのため、SiC基板と窒化物半導体層との格子不整合を充分に緩和させることができない。
さらに、SiCは窒化物半導体で発光する光を吸収する。そのため、たとえばサファイア基板であれば基板側に進む光でも基板の側面から出る光や、基板の裏面側で反射する光を利用することができるが、SiC基板を用いると、基板側に進む光を殆ど利用することができないという問題がある。一方、発光層で発光する光は、四方に均等に放射され、光を取り出す半導体積層部の上面側と同程度の強さの光がSiC基板側にも進み、理論上発光する光の半分は無駄になるという問題がある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、SiC基板を用いることにより、基板の裏面に一方の電極を形成し、垂直型の発光素子としながら、基板と窒化物半導体層との格子不整合に伴う窒化物半導体層の膜質の低下に基づく発光出力の低下を防止し、かつ、基板側に進む光も有効に利用することにより、外部量子効率を向上させることができる構造の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、光反射層として多層の半導体積層膜を有する場合でも、その積層膜を形成する場合に温度変化を極力避けることにより、短時間で積層することが可能な構造の窒化物を用いた半導体発光素子を提供することにある。
本発明による窒化物半導体発光素子は、SiC基板と、該SiC基板上に直接設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層される光反射層と、該光反射層上に設けられ、発光層形成部を少なくとも有するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の上面側および前記SiC基板の裏面にそれぞれ設けられる電極とを有している。
ここに窒化物半導体とは、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の一部または全部が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族元素と置換した窒化物を意味する。また、低屈折率と高屈折率とは、両層間の相対的な屈折率の関係を意味し、屈折率の絶対値を問わない。さらに、超格子などの多層構造で層が形成されている場合の屈折率は、その平均的な屈折率を意味する。
前記光反射層が、AlxGa1-xN(0<x<1)とAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x)との積層構造により形成されることにより、多層膜の成長工程を短時間で行うことができ、かつ、膜質の優れた窒化物半導体層を積層することができる。すなわち、AlGaN系化合物同士で屈折率を変えた半導体層を積層しようとすると、両層間の屈折率差を余り大きくできないが、InGaN系化合物を高屈折率層として用いると低屈折率層のAlxGa1-xNのように、700℃程度以上の高温で成長することができない。一方で窒化物半導体層は高温の方が結晶性のよい層を形成しやすいため、結晶性の優れた多層膜を形成しようとするとできるだけ高温で成長することが好ましい。そのため、高屈折率層としてInGaN系化合物を用いようとすると、低屈折率層と高屈折率層とで、一々成長温度を変えなければならず、非常に時間がかかると共に、全体の結晶性も低下するが、AlxGa1-xN(0<x<1)とAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x)との積層構造にすることにより、高温のままで組成を変えて成長することができるため、非常に短時間で、かつ、膜質の優れた光反射層を形成することができる。膜質が優れることにより、光の反射特性も非常に向上する。
前記発光層形成部が活性層をn形層とp形層とでサンドイッチ構造にするダブルヘテロ構造に形成されることにより、キャリアを充分に閉じ込めることができ、発光効率の優れた半導体発光素子が得られる。
本発明によれば、SiC基板表面に直接多層膜により光反射層が形成されているため、その上に積層される窒化物半導体層の膜質が向上すると共に、発光層で発光した光で、基板側に進む光でも光反射層により反射されて表面側から出射されやすくなる。すなわち、前述のように、SiC基板と窒化物半導体とは、格子定数などは一致せず、たとえバッファ層を挿入しても、バッファ層はその導電性を確保するためにはAlの混晶比率をそれほど上げることができず、必ずしもバッファ層の役目を充分には果さず、膜質の良好な窒化物半導体層を成長することができない。しかし、多層膜にすることによりキャリア濃度を上げやすいと共に、格子定数などの異なる層でも積層しやすいため、Alの混晶比率を上げてSiC基板の格子定数と近い層を成長することができ、その上に成長する窒化物半導体層の膜質を向上させることもできる。さらに、その多層膜が発光層で発光する光の反射膜になるような厚さで積層されることにより、基板側に進む光を反射させることができ、発光する光の殆ど全部を表面側に取り出すことができる。その結果、非常に外部量子効率を向上させることができ、発光効率の優れた窒化物半導体発光素子となる。
また、前述のように、光反射層をAlxGa1-xN(0<x<1)とAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x)との積層構造にすることにより、700℃程度以上の高温のみで成長することができるため、とくに結晶性の優れた窒化物半導体層を積層することができると共に、InGaN系化合物を挟むと、その層は600℃程度以下の低温度で成長しなければならないため、多層膜を形成すのに温度の上げ下げを繰り返さなければならないが、その必要もなく非常に簡単に多層膜を成長することができる。しかも窒化物半導体層は高温で成長する方が膜質のよい半導体層を成長することができるため、より一層膜質のよい窒化物半導体層を得ることができる。
つぎに、本発明による窒化物半導体発光素子について、図面を参照しながら説明をする。本発明による窒化物半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図および光反射層のバンド図が図1に示されるように、SiC基板1上に、屈折率が互いに相違する低屈折率層21と高屈折率層22とが交互に積層される光反射層2が直接設けられ、その光反射層2上に、発光層形成部3を少なくとも有するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部5が設けられている。そして、半導体積層部5の上面側に上部電極7が、SiC基板1の裏面に下部電極8がそれぞれ設けられることにより形成されている。
SiC基板1は、単結晶炭化ケイ素基板が用いられ、図1に示される例ではn形に形成されている。その基板1上に直接光反射層2が積層されている。光反射層2は、基板1と同じ導電形で、たとえばn形のAlxGa1-xN(0<x<1、たとえばx=0.3)からなる低屈折率層21とn形のAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x、たとえばy=0)からなる高屈折率層22とが、それぞれλ/(4n1)、λ/(4n2)(λは発光する光の波長、n1、n2は低屈折率層および高屈折率層のそれぞれの屈折率)の厚さで交互に積層されて形成されている。このように、屈折率の異なる2つの層を交互に積層することにより、分布型ブラッグ反射層(DBR;distributed Bragg reflection)が形成され、とくに各層がλ/(4n)の厚さに形成されることにより、最もよく反射する。
この光反射層2は、たとえばAlxGa1-xN(0<x<1、たとえばx=0.3)からなる低屈折率層21とAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x、たとえばy=0)からなる高屈折率層22との積層構造により形成されることにより、共に700〜1200℃程度の高温で成長することができ、高温で結晶性のよい窒化物半導体層を積層することができると共に、両層を交互に積層する場合でも温度を変化させることなく成長することができるため好ましい。この場合、両層間の屈折率差を大きくし難いため、反射率を上げるためには層数を多くするか、低屈折率層21のAlの混晶比率を大きくする必要がある。Alの混晶比率を大きくしても、バッファ層のようにバルクで厚い層を形成するのではなく、GaN層との積層構造にするため、キャリア濃度を上げることができ、SiC基板との格子定数も近づき良質の膜を形成しやすい。
しかし、余りAlの混晶比率を上げないで、または低屈折率層のAl混晶比を大きくしながら、なおも屈折率差を大きくする場合には、高屈折率層22としてInzGa1-zN(0<z<1)からなる高屈折率層22を用いることもできる。この場合、AlGaN系化合物は前述の高温で、InGaN系化合物は400〜600℃程度の低温で成長する。
また、前述の低屈折率層21や高屈折率層22は、そのいずれかの層または両層共に、上述のバルク層ではなく、たとえば図2にバンド図で示されるように、さらに屈折率の異なる層、たとえばInvGa1-vN(0≦v<1、たとえばv=0)からなる調整層222と、たとえばAlwGa1-wN(0<w<1、たとえばw=0.1)からなる緩和層221との超格子構造に形成されても、それぞれの超格子構造の平均的な屈折率が低い層と高い層とになるように交互に積層されれば、同様に光反射層として寄与しながら、超格子構造による格子定数などの相違に基づく結晶欠陥の発生を抑制することができる。なお、低屈折率層21および高屈折率層22共に、前述の例に限定されるものではなく、屈折率の異なる層で光を反射しやすいように積層されておればよい。
発光層形成部3は、光反射層2上に直接または他の半導体層を介して形成され、図1に示される例では、AlaGabIn1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)の一般式で表される窒化物材料により、活性層32を挟むように、たとえば0.5μm程度のn形GaNなどにより形成されるn形層31と0.5μm程度のp形GaNなどにより形成されるp形層33が設けられたダブルヘテロ構造からなっている。活性層32は、発光させる光の波長に応じたバンドギャップエネルギーを有する材料が選択され、たとえば波長が440〜470nmの青色発光をさせる場合、0.01〜0.1μm程度のIn0.15Ga0.85Nからなるバルク構造のもの、または1〜10nm程度のIn0.1Ga0.9Nウェル層と1〜10nm程度のGaNバリア層との単一もしくは多重の量子井戸構造に形成され、全体で0.01〜0.1μm程度に形成される。この発光層形成部3は、ダブルヘテロ接合構造でなくても、シングルへテロ構造、またはホモ接合でpn接合が形成されたものでもよく、電子と正孔との再結合による発光部が形成されるように半導体層が積層されていればよい。
活性層32は通常ノンドープで形成されるが、p形層もしくはn形層でも構わない。n形層31とp形層33とは活性層にキャリアを閉じ込める意味からも、活性層32よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料が好ましく、前述のGaNの代りにAlGaN系化合物でもよいし、他の組成の層との複層でそれぞれ設けられてもよいし、さらにはn形層31とp形層32とが異なる組成で形成されてもよく、必ずしもこれらには限定はされない。
この発光層形成部3を、たとえば面発光レーザのように、垂直方向の共振器として使用する場合には、全体の厚さがλ/nになるように調整されていることが共振器になりやすくて好ましい。この場合、n形層31およびp形層33の厚さで調整される。また、垂直方向の共振器とする場合には、図示されていないが、この発光層形成部3の上に、第2の光反射層が形成される。この意味から、n形層31およびp形層33はスペーサ層として機能したり、電子バリア層や正孔バリア層などとして機能したりするように、それらの組成や膜厚も適宜調整される。
発光層形成部3上に、たとえばp形GaNからなるコンタクト層4が設けられることにより、前述の光反射層2、発光層形成部3と共に半導体積層部5が構成されている。コンタクト層4は、その上部に設けられる電極とのオーミックコンタクトを良好にすると共に、上部電極7からの電流を発光素子チップの全体に拡散させるために設けられるが、発光層形成部3の表面に直接透光性導電層が設けられてもよい。コンタクト層4が設けられる場合には、前述の目的からも、できるだけキャリア濃度を大きくすることが好ましいため、一般的にはGaNが用いられるが、AlGaN系化合物層またはInGaN系化合物層で形成されてもよい。
このコンタクト層4上に透光性導電層6が、たとえばNi-Au層で2〜100nm程度の厚さに形成されたり、ZnO層またはITO層で0.1〜2μm程度の厚さに設けられたりすることにより形成されている。ZnO層またはITO層は厚くしても透光性があるが、Ni-Au層は厚くすると透光性がなくなるので、薄く形成される。図1に示される例では、ZnO層が0.3μm程度の厚さに形成されている。この透光性導電層6は、窒化物半導体層、とくにp形窒化物半導体層はキャリア濃度を大きくし難く、電流をチップの全面に拡散し難いこと、および電極パッドとする金属膜からなる上部電極7とのオーミックコンタクトを取り難いこと、という問題を改良するために設けられるもので、これらの問題を解消できればなくても構わない。
上部電極7は、図1に示される例では半導体積層部5の上面側がp形からなる層であるため、p側電極として形成されており、たとえばTi/Au、Pd/AuまたはNi-Auなどの積層構造で、全体として0.1〜1μm程度の厚さに形成されている。また、SiC基板1の裏面に下部電極(n側電極)8が、たとえばTi-Al合金またはTi/Auの積層構造などで、全体と0.1〜1μm程度の厚さに形成される。
前述の半導体積層部5をn形に形成するためには、Se、Si、Ge、TeをH2Se、SiH4 、GeH4 、TeH4 などの不純物原料ガスとして反応ガス内に混入すれば得られ、p形にするためには、MgやZnをシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2 Mg)やジメチル亜鉛(DMZn)の有機金属ガスとして原料ガスに混入する。ただしn形の場合は不純物を混入しなくても、成膜時にNが蒸発しやすく自然にn形になりやすいため、その性質を利用することもできる。
つぎに、具体例で本発明の窒化物半導体発光素子の製法について簡単に説明する。まず、SiC基板1を、たとえばMOCVD(有機金属化学気相成長)装置内にセッティングし、成長する半導体層の成分ガス、たとえばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニアガス、n形ドーパントガスとしてのH2Se、SiH4、GeH4、TeH4のいずれか、また、p形ドーパントガスとしてDMZnもしくはCp2 Mgのうちの必要なガスをキャリアガスのH2ガスまたはN2ガスと共に導入し、たとえば700〜1200℃程度の温度で、n形のAl0.3Ga0.7N低屈折率層21とGaN高屈折率層22とを交互に度積層し、光反射層2を形成する。
ついで、GaNからなり0.5μm程度厚のn形層31、In0.1Ga0.9Nからなる井戸層と、GaNからなる障壁層とを5周期程度交互に積層した量子井戸活性層32、およびGaNからなり0.5μm程度厚のp形層33とを順次積層することにより、発光層形成部3を成長する。ついで、p形GaNからなり0.05〜2μm程度厚のp形コンタクト層4をそれぞれ順次エピタキシャル成長して、半導体積層部5を形成する。
その後SiO2 保護膜をコンタクト層4表面全面に設け、400〜800℃、20〜60分間程度のアニールを行って、コンタクト層4およびp形層33の活性化を行う。アニールが完了すると、ウェハをスパッタリング装置または真空蒸着装置に入れてコンタクト層4表面に、ZnOからなる透光性導電層6を0.3μm程度形成し、さらにTi、Alなどを成膜することにより、上部電極7を形成する。その後、SiC基板1の裏面側をラッピングすることにより、SiC基板1を薄くして、基板1の裏面に、Ti、Auなどの金属膜を同様に成膜することにより、下部電極8を形成する。最後に、スクライブしチップ化することにより、窒化物半導体発光素子のチップが得られる。
本発明によれば、窒化物半導体層を積層するのに、SiC基板を用いているため、積層される半導体層の下層の導電形層と同じ導電形層に形成することができる。その結果、積層される半導体積層部の下層の導電形層と接続する下部電極を基板の裏面に形成することができ、積層した半導体積層部の一部をエッチングにより除去して下層の導電形層を露出させる必要がない。そのため、半導体積層部の一部をエッチングすることによるコンタミネーションの悪影響もなく、簡単に電極を形成することができる。
さらに、SiC基板表面に直接光反射層が形成されているため、発光層形成部で発光して基板側に進む光もSiC基板に吸収されることなく、表面側に反射して表面側に向かった光と共に一緒に表面側から放射される。その結果、外部量子効率が大幅に向上し、非常に高輝度の窒化物半導体発光素子が得られる。さらに、光反射層は、屈折率の異なる層が、それぞれたとえばλ/(4n)程度の厚さで交互に積層されるため、たとえばAlGaN系化合物のAlの混晶比率の高い層でも比較的キャリア濃度を高くすることができ、SiC基板と格子定数の近いAlGaN系を成長することができる。その結果、SiC基板とGaN層などとの格子不整合を緩和させることができ、より結晶性に優れた窒化物半導体層を成長することができる。
以上のように、本発明によれば、基板の裏面に一方の電極を形成した垂直型の窒化物半導体発光素子が得られ、製造工程が容易で、しかも使用勝手のよい発光素子が得られると共に、窒化物半導体層の結晶性が優れて発光効率が向上し、さらに基板側に進む光も表面側に反射されて利用することができるため、外部量子効率が大幅に向上し、非常に高輝度の窒化物半導体発光素子が得られる。
前述の例では、基板をn形にして下層の半導体層をn形にしたが、基板をp形にしてp形層を下層にすることも可能である。また、発光層形成部を、活性層をn形層とp形層とで挟持するサンドイッチ構造のダブルヘテロ構造にしたが、さらに他の半導体層がいずれかの層間に挿入されたり、シングルへテロ構造にされたり、ホモpn接合に形成されたりすることもできる。
1 SiC基板
2 光反射層
3 発光層形成部
4 コンタクト層
5 半導体積層部
7 上部電極
8 下部電極
21 低屈折率層
22 高屈折率層
31 n形層
32 活性層
33 p形層
2 光反射層
3 発光層形成部
4 コンタクト層
5 半導体積層部
7 上部電極
8 下部電極
21 低屈折率層
22 高屈折率層
31 n形層
32 活性層
33 p形層
Claims (3)
- SiC基板と、該SiC基板上に直接設けられ、屈折率が互いに相違する低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層される光反射層と、該光反射層上に設けられ、発光層形成部を少なくとも有するように窒化物半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の上面側および前記SiC基板の裏面にそれぞれ設けられる電極とを有する窒化物半導体発光素子。
- 前記光反射層が、AlxGa1-xN(0<x<1)とAlyGa1-yN(0≦y<1、y<x)との積層構造により形成されてなる請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記発光層形成部が活性層をn形層とp形層とでサンドイッチ構造にするダブルヘテロ構造に形成されてなる請求項1または2記載の窒化物半導体発光素子。
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