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JP5352248B2 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

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JP5352248B2 JP2009003933A JP2009003933A JP5352248B2 JP 5352248 B2 JP5352248 B2 JP 5352248B2 JP 2009003933 A JP2009003933 A JP 2009003933A JP 2009003933 A JP2009003933 A JP 2009003933A JP 5352248 B2 JP5352248 B2 JP 5352248B2
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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
発光素子に要求される特性として、例えば、高外部量子効率特性や低抵抗特性が挙げられる。一般に、半導体と金属を接触させると、接合障壁が形成され、例えば半導体と、金属材料からなる電極との間には高い接触抵抗が生じる。発光素子の基本構造の１つとして、例えば、発光層と呼ばれるバンドギャップの小さな層を、クラッド層と呼ばれるバンドギャップの大きなp型およびn型の半導体層で両側から挟んだ、いわゆるダブルヘテロ構造が挙げられるが、この積層体に取り付けられた一対の電極間に電圧を印加すると、半導体層である積層体と電極との間で生じる接触抵抗に起因した電力損失が発生することとなる。
そこで、この半導体層と電極との間で生じる接触抵抗を小さくするため、電極と半導体層との間に、バンドギャップの小さい物質からなるコンタクト層を介在させることで障壁差を小さくし、電極と半導体層との間で大きな電力損失が発生するのを防止する技術が広く知られている。
特許文献１および２には、コンタクト層として、GaN層や、Al組成が30％以下のAlGaN層を形成する技術が開示されている。このようなAl組成の小さなコンタクト層は、電極との接触抵抗は小さいものの、発光波長が300nm以下の紫外発光素子に用いる場合、発光層で発生した紫外光がコンタクト層で吸収され、外部量子効率が低下してしまうという問題があった。
このような問題を解決するため、特許文献３には、第１発光層とGaNコンタクト層との間に、第１発光層で発光した紫外光を吸収し、より波長の長い光を発する第２発光層を設けることにより、外部量子効率の低下を抑制する技術が開示されているが、形成されるべき層数が多く、製造コストが増大するという問題があった。
特開２００２−１４１５５２号公報 特開２００４−３３５５５９号公報 特開２００６−２９５１３２号公報
本発明の目的は、外部量子効率を維持しつつ、n-コンタクト層とn側電極との間で生じる接触抵抗を有効に低減させた窒化物半導体発光素子およびこのような窒化物半導体発光素子を効率よく製造する方法を提供することにある。
本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）n-コンタクト層と該n-コンタクト層上のn-クラッド層とを有するn型積層体、該n型積層体上の発光層、および該発光層上のp型積層体を具える半導体積層体、ならびに、n側電極およびp側電極を具える窒化物半導体発光素子において、前記n-コンタクト層はAlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなるとともに、前記発光層側の一部が露出しており、前記一部露出したn-コンタクト層上に、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなる中間層を具え、該中間層上に前記n側電極が位置することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
（２）前記発光層と前記p型積層体との間に、電子ブロック層をさらに具える上記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
（３）前記n-コンタクト層と前記n側電極との間の抵抗が10Ω以下で、かつ外部量子効率が0.70%以上である上記（１）または（２）に記載の窒化物半導体発光素子。
（４）基板上に、n-コンタクト層および該n-コンタクト層上のn-クラッド層を有するn型積層体と、発光層と、p-クラッド層および該p-クラッド層上のp-コンタクト層を有するp型積層体とを順に成長させて半導体積層体を形成する工程と、前記n-コンタクト層の、前記発光層側の一部を露出させた後、該一部露出したn-コンタクト層上に中間層を形成し、該中間層上にn側電極を形成する工程と、前記p-コンタクト層上にp側電極を形成する工程とを具え、前記n-コンタクト層が、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなり、かつ前記中間層が、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
（５）前記中間層を形成する工程は、ドライエッチング法を用いて、前記n-コンタクト層の、前記発光層側の一部を露出させた後、MOCVD法を用いて、前記一部露出したn-コンタクト層上に前記AlyGa1-yN材料を成長させることを含む上記（４）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
本発明は、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなるn-コンタクト層とn側電極との間に、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなる中間層を具えることにより、発光層で発生した紫外光がn-コンタクト層で吸収されるのを防いで外部量子効率を維持し、かつn-コンタクト層とn側電極との間で生じる接触抵抗を有効に低減させた窒化物半導体発光素子提供することができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、このような窒化物半導体発光素子を効率よく製造することができる。
図１は、本発明に従う窒化物半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図２(a)および図２(b)は、本発明に従う窒化物半導体発光素子の製造工程を示す模式的断面図である オーミック性評価用サンプルを示す模式的断面図である。 図４(a)および図４(b)は、サンプルの電流-電圧特性を示すグラフである。 図５は、従来の窒化物半導体発光素子を示す模式的断面図である。
次に、本発明の窒化物半導体発光素子の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明に従う窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示したものである。
図１に示すように、本発明の窒化物半導体発光素子１は、n型積層体２、発光層３およびp型積層体４を具える半導体積層体５、ならびに、n側電極６およびp側電極７を具え、n型積層体２が、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなるn-コンタクト層２ａおよびこのn-コンタクト層２ａ上に設けられたn-クラッド層２ｂを有し、発光層３側に一部露出したn-コンタクト層２a上に、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなる中間層８を具え、かかる構成を有することにより、発光層３で発生した紫外光がn-コンタクト層２ａで吸収されるのを防いで外部量子効率を維持し、かつn-コンタクト層２ａとn側電極６との間で生じる接触抵抗を有効に低減させることができるという顕著な効果を奏するものである。中間層８をAlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.3）とすれば、接触抵抗低減効果の観点からさらに好ましい。
特に、n-コンタクト層２ａを、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）で形成することにより、Al組成比(x)が0.7未満の材料と比較して、発光層３で発生した紫外光の吸収を大幅に低減することができる。しかしながら、このn-コンタクト層２ａ上にn側電極６を直接設けた場合、n-コンタクト層２ａとn側電極６との間の接触抵抗が大きくなり、電力損失が多くなってしまう。
そこで、本発明の窒化物半導体発光素子１は、中間層８を、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）で形成することにより、n-コンタクト層２ａとn側電極６との間の接触抵抗を有効に低減させたものである。
n-クラッド層２ｂは、例えばAlaGa1-aN材料（但し、0≦a≦1）、発光層３は、例えばAlbIncGa1-b-cN材料（但し、0≦b≦1, 0≦c≦1, 0≦b+c≦1）、また、p型積層体は、例えばAldGa1-dN材料（但し、0≦d≦1）で形成することができる。また、p型ドーパントとしてはMg等を、n型ドーパントとしてはSi等を用いることができる。
また、半導体積層体５を構成するn-コンタクト層２ａ、n-クラッド層２ｂ、発光層３、p-クラッド層４ａおよびp-コンタクト層４ｂの層厚は、それぞれ、1000〜5000nm、200〜500nm、20〜150nm、200〜500nmおよび10〜50nmとするのが好ましい。この範囲よりも薄いと半導体層内で十分な電流の拡散が得られなくなり、厚いとコストが高くなるためである。
n側電極６は、例えばTi含有膜およびこのTi含有膜上に形成されたAl含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚さ、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。また、p側電極７についても、例えばNi含有膜およびこのNi含有膜上に形成されたAu含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚さ、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。
また、図には示されないが、中間層８とn-コンタクト層２ａとの間に、AlzGa1-zN材料（但し、0.5＜z＜0.7）からなる下側中間層を配設するのが好ましい。この層を配設することにより、中間層８とn-コンタクト層２ａとの間の抵抗を減少させることができるためである。中間層８をAlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.3）として、前記下側中間層をAlzGa1-zN材料(但し、0.3＜z＜0.7)とすることにより、さらに接触抵抗を低減する効果が期待でき、さらに好ましい構成となる。
中間層８の層厚は、20〜200nmとするのが好ましく、50〜100nmとするのがより好ましい。下側中間層の層厚は、10〜100nmとするのが好ましく、20〜50nmとするのがより好ましい。これら層を薄くしすぎると、コンタクトアニールを行ったときにn-コンタクト層２ａと拡散して混ざってしまい、中間層として機能しなくなるおそれがあるためであり、また、厚くしすぎると、その分だけ成長時間がかかるためにコストが高くなるためである。
また、図１に示されるように、本発明の窒化物半導体発光素子１は、サファイア基板１０に、AlN材料からなるバッファ層１１（厚さ：1000〜1500nm）を介してn-コンタクト層２aを配設した構成とすることができる。
さらに、発光層３とp型積層体４との間に、電子ブロック層１２（厚さ:5〜50nm）を具えてもよい。発光層３の量子井戸層に対して障壁となり、電子が過剰に流れていくのを防ぐことによるキャリアの注入効率向上のためである。なお、この電子ブロック層１２は、p型のAleGa1-eN材料（但し、0≦e≦1）で形成することができる。
上述したような窒化物半導体発光素子１は、発光層３で発生した紫外光がn-コンタクト層２ａで吸収されるのを防いで外部量子効率を維持し、かつn-コンタクト層２ａとn側電極６との間で生じる接触抵抗を有効に低減させることができるものであり、前記n-コンタクト層２ａと前記n側電極６との間の抵抗は10Ω以下で、かつ外部量子効率は0.7%以上とするのが好ましい。
次に、本発明の窒化物半導体発光素子１の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。図２(a)および図２(b)は、本発明に従う窒化物半導体発光素子１の製造工程を示す模式的断面図である。
図２(a)に示すように、本発明に従う窒化物半導体発光素子１の製造方法は、成長基板１０上に、n-コンタクト層２ａおよびn-クラッド層２ｂを有するn型積層体２と、発光層３と、p-クラッド層４ａおよびp-コンタクト層４ｂを有するp型積層体４とを順に成長させて半導体積層体５を形成する工程と、図２(b)に示すように、n-コンタクト層２ａに中間層８およびn側電極６を形成する工程と、p-コンタクト層上４ｂにp側電極７を形成する工程とを具え、n-コンタクト層２ａが、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなり、かつ中間層８が、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなり、かかる構成を有することにより、発光層３で発生した紫外光がn-コンタクト層２aで吸収されるのを防いで外部量子効率を維持し、かつn-コンタクト層２ａとn側電極６との間で生じる接触抵抗を有効に低減させることができる窒化物半導体発光素子１を、効率よく製造できるという顕著な効果を奏するものである。
半導体積層体５は、例えばサファイア基板１０に、MOCVD法を用いてエピタキシャル成長させるのが好ましい。MOCVD法を用いることにより、均一な膜厚を高速に成長させることができる。
中間層８は、図２(b)に示すように、ドライエッチング法を用いて、n-コンタクト層２ａの、発光層３側の一部を露出させた後、MOCVD法を用いて、一部露出したn-コンタクト層２ａ上にAlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）を成長させて形成するのが好ましい。なお、n側電極６が形成される部分以外に堆積したAlyGa1-yN材料は除去される
n側電極６は、例えば真空蒸着法により、Ti含有膜およびAl含有膜を順次蒸着させることにより形成することができる。この工程後、n側電極６には、窒素雰囲気中で所定の熱処理を施すのが好ましい。n側電極６、中間層８およびn-コンタクト層２aをオーミック接触させるためである。
本発明に従う窒化物半導体発光素子１は、前記本発明に従う窒化物半導体発光素子１の製造方法を用いて効率よく製造することができる。特に、本発明は、発光波長が300nm以下の紫外発光素子として用いた場合に、発光層で発生した紫外光がn-コンタクト層で吸収されにくくなり、高い発光出力を得ることができる。
上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
（抵抗特性・オーミック性評価）
図３に示すように、サファイア基板１１０上に、MOCVD法により、バッファ層１１１(AlN材料：1μm)、n-コンタクト層１０２ａ(SiドープAl0.7Ga0.3N材料：2μm)、所定の中間層１０８(AlyGa1-yN材料（但し、y=0, 0.3, 0.7の３種類））をエピタキシャル成長させた後、真空蒸着法によりn側電極１０６(Ti/Al=20nm/200nm)を形成した。なお、中間層１０８は300μm×300μmの四角形とし、n側電極１０６は、200μm×200μmの四角形とする。また、隣接する中間層１０８間の間隔は、100μmとした。このようにして形成されたサンプル１〜３の中間層１０８のAl組成(%)および抵抗値(Ω)を表１に示す。なお、この抵抗値は、電流1mAのときの電圧から求めたものである。
Figure 0005352248
表１に示されるとおり、中間層１０８を構成するAlyGa1-yN材料中に占めるAl組成比の小さい(y≦0.3)サンプル１およびサンプル２は、Al組成比の大きいサンプル３と比較して、抵抗値が100分の1以下であり、接触抵抗が著しく小さいことがわかる。
また、これらサンプルに対し、カブトレーサを用いて電流−電圧特性を測定した。図４(a)および図４(b)は、上記サンプル２およびサンプル３の測定結果をそれぞれ示したグラフである。横軸は電圧、縦軸は電流を示す。図４(a)に示すとおり、Al組成が30％のサンプル２は、電流−電圧特性が直線を示し、オーミック接触が得られていることがわかる。一方、図４(b)からは、Al組成が70％のサンプル３の電流−電圧特性が曲線を示し、ショットキー接触となっていることがわかる。
一般に、発光素子の抵抗値特性は、1kΩ以下で、かつ電流-電圧特性が直線であることが望まれる。表１ならびに図４(a)および図４(b)の結果から、中間層のAl組成は、本発明の範囲である0〜50％の範囲において、良好なオーミック接触が得られ、抵抗を大幅に低減できていることがわかる。
（外部量子効率特性）
実施例１
図１に示すように、サファイア基板上１０に、MOCVD法により、バッファ層１１(AlN材料：1μm)、n-コンタクト層２ａ(SiドープAl0.7Ga0.3N材料:2μm)、n-クラッド層２ｂ(SiドープAl0.65Ga0.35N材料:500nm)、発光層３(Al0.55In0.01Ga0.44N材料(10nm)／Al0.6In0.01Ga0.39N材料(15nm):３層の多重量子井戸構造、総厚90nm)、電子ブロック層１２(MgドープAl0.9Ga0.1N材料:20nm)、p-クラッド層４ａ(MgドープAl0.7Ga0.3N材料：200nm)およびp-コンタクト層４ｂ(MgドープGaN材料：20nm)を順次エピタキシャル成長させた後、ドライエッチング法によりn-コンタクト層２ａを一部露出させ、再度MOCVD法を用いて中間層８(Al0.3Ga0.7N材料:50nm)をエピタキシャル成長させ、その後ｎ側電極６が形成される部分以外を除去した後、この中間層８上にｎ側電極６(Ti/Al)を、p-コンタクト層４ｂ上にp側電極７(Ni/Au)を形成した。その後、窒素雰囲気中で熱処理を行い、n側電極６とn-コンタクト層２ａとをオーミック接触させて、本発明に従う窒化物半導体発光素子１を形成した。
実施例２
n-コンタクト層２ａと中間層８との間に、下側中間層(Al0.7Ga0.3N材料:500nm)を形成したこと以外は、実施例１と同様の方法により本発明に従う窒化物半導体発光素子１を形成した。
比較例１
図５に示すように、中間層８を形成しないこと以外は、実施例１と同様の方法により窒化物半導体発光素子２００を形成した。
比較例２
n-コンタクト層２０２ａをSiドープAl0.3Ga0.7N材料で形成したこと以外は、比較例１と同様の方法により窒化物半導体発光素子２００を形成した。
このようにして形成された窒化物半導体発光素子を、フリップチップ型に実装し、積分球により電流20ｍAのときの電圧Vf(V)および発光出力Po(mW)を測定した結果ならびに以下の式から求めた外部量子効率の値を表２に示す。
外部量子効率η＝｛Po×λ（nm）｝/｛If（mA）×1239.8｝
（但し、λ＝265nm、If＝20mAとする）
Figure 0005352248
表２に示すとおり、中間層を設けず、n-コンタクト層のAl組成が大きい比較例１は、n側電極との接触抵抗が大きいため、実施例１および２ならびに比較例２と比較して電圧が大きくなっていることがわかる。また、中間層を設けず、n-コンタクト層のAl組成が小さい比較例２は、n側電極との接触抵抗が小さいため、電圧は小さくなっているものの、紫外光の吸収量が多いため、外部量子効率が小さくなっていることがわかる。これに対し、本発明に従う実施例１および実施例２は、接触抵抗の低減および外部量子効率の向上を両立できていることが分かる。
本発明によれば、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなるn-コンタクト層とn側電極との間に、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなる中間層を具えることにより、発光層で発生した紫外光がn-コンタクト層で吸収されるのを防いで外部量子効率を維持し、かつn-コンタクト層とn側電極との間で生じる接触抵抗を有効に低減させた窒化物半導体発光素子提供することができる。また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、このような窒化物半導体発光素子を効率よく製造することができる。
１ 窒化物半導体発光素子
２ n型積層体
２ａ n-コンタクト層
２ｂ n-クラッド層
３ 発光層
４ p型積層体
４ａ p-クラッド層
４ｂ p-コンタクト層
５ 半導体積層体
６ n側電極
７ p側電極
８ 中間層
９ 支持基板
１０ 基板
１１ バッファ層
１２ 電子ブロック層
１０１ 窒化物半導体発光素子
１０２ n型積層体
１０２ａ n-コンタクト層
１０６ n側電極
１０８ 中間層
１１０ サファイア基板
１１１ バッファ層

Claims (5)

  1. n-コンタクト層と該n-コンタクト層上のn-クラッド層とを有するn型積層体、該n型積層体上の発光層、および該発光層上のp型積層体を具える半導体積層体、ならびに、n側電極およびp側電極を具える窒化物半導体発光素子において、
    前記n-コンタクト層はAlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなるとともに、前記発光層側の一部が露出しており、
    前記一部露出したn-コンタクト層上に、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなる中間層を具え、該中間層上に前記n側電極が位置することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 前記発光層と前記p型積層体との間に、電子ブロック層をさらに具える請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 前記n-コンタクト層と前記n側電極との間の抵抗が10Ω以下で、かつ外部量子効率が0.70%以上である請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 基板上に、n-コンタクト層および該n-コンタクト層上のn-クラッド層を有するn型積層体と、発光層と、p-クラッド層および該p-クラッド層上のp-コンタクト層を有するp型積層体とを順に成長させて半導体積層体を形成する工程と、前記n-コンタクト層の、前記発光層側の一部を露出させた後、該一部露出したn-コンタクト層上に中間層を形成し、該中間層上にn側電極を形成する工程と、前記p-コンタクト層上にp側電極を形成する工程とを具え、
    前記n-コンタクト層が、AlxGa1-xN材料（但し、0.7≦x≦1.0）からなり、かつ前記中間層が、AlyGa1-yN材料（但し、0≦y≦0.5）からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記中間層を形成する工程は、ドライエッチング法を用いて、前記n-コンタクト層の、前記発光層側の一部を露出させた後、MOCVD法を用いて、前記一部露出したn-コンタクト層上に前記AlyGa1-yN材料を成長させることを含む請求項４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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