JP2008034754A

JP2008034754A - 発光素子

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Publication number: JP2008034754A
Application number: JP2006209136A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Ito; 統夫伊藤; Takashi Egawa; 孝志江川
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】光の射出効率が向上した発光素子を提供する。
【解決手段】表面に凹凸を有する活性層６と、活性層６の上方に位置し、活性層６の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有するコンタクト層８を具備する。活性層６とコンタクト層８の間には、活性層６の表面の凹凸に従った凹凸を表面に有する第１クラッド層７が形成されている。コンタクト層８の膜厚は、１３０ｎｍ未満であるのが好ましい。また、第１クラッド層７の膜厚は１５０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材上にIII族窒化物層を形成した半導体発光素子に関する。

III族窒化物系の半導体を活性層とした発光素子は、紫外から可視光領域にわたる広い発光領域を持つ。III族窒化物系半導体はサファイヤ基材、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基材、Ｓｉ基材等の基材上に、下地膜を介して形成されている。しかし、III族窒化物層は上記した基材（特に安価なＳｉ基材）と格子定数差が大きく、下地膜を介しても格子定数差に起因する転位欠陥の発生は避けられず、この転位欠陥に起因して発光効率が低下していた。

その転位欠陥による発光効率の低下を改善するため、特許文献１，２には転位を積極的に活用し、活性層の表面に、転位を起点とした凸部を成長させる技術が開示されている。これにより、発光に寄与しない電流が減少し、活性層の発光効率が改善される。

特開２００４−１９３４９８号公報特開２００５−２５１９２２号公報

しかし特許文献１、２に記載の技術では、活性層を凹凸構造とすることで光の発光効率を向上させているが、光出射面が平坦面であったために、活性層で発生した光の素子外部への射出効率が悪く、高出力の発光素子が得られなかった。また、表面をエッチングして凹凸を作成するためには、活性層上に半導体層を厚く作成する必要があり、半導体層が厚くなるために順方向電圧が高くなっていた。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は光の射出効率が向上した発光素子を提供することにある。

上記した課題を解決するため、本発明に係る面発光素子は、表面に凹凸を有する活性層と、
前記活性層の表面上又は上方に位置し、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有する半導体層と、
を具備することを特徴とする。
前記活性層は量子井戸層を有し、該量子井戸層数が５層以上、１５層以下であるのが好ましい。

本発明に係る他の発光素子は、表面に凹凸を有する活性層と、
前記活性層の表面上に形成され、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成され、前記第１クラッド層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有するコンタクト層とを具備することを特徴とする。
すなわち前記第１クラッド層は、前記活性層と略同じ場所に凹部及び凸部を有しており、前記コンタクト層は、前記第１クラッド層と略同じ場所に凹部及び凸部を有している。
前記コンタクト層の膜厚は１３０ｎｍ未満とするのが好ましい。

本発明に係る他の発光素子は、表面に凹凸を有する活性層と、前記活性層上に形成され、膜厚が前記活性層の凹凸の高低差より小さく、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有する第１クラッド層とを具備する。

上記した発光素子それぞれにおいて、前記第１クラッド層の膜厚は１５０ｎｍ以下であるのが好ましい。

上記した発光素子において、前記活性層は、例えばIII族窒化物半導体層である。また、前記第１クラッド層は、少なくともＡｌを含むのが好ましい。

前記活性層の下に位置する第２クラッド層を更に具備し、前記第２クラッド層の転位欠陥密度が１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２であるのが好ましい。この場合、前記第２クラッド層の転位欠陥の間隔は、例えば１００〜１７０ｎｍである。

基材上に形成された下地層を更に具備し、前記第２クラッド層は、前記下地層上に形成され、前記下地層は、厚さが３μｍ以下であるのが好ましい。

本発明によれば、電極層の下に位置する半導体層の表面が、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を具備しているため、発光素子の発光効率を向上させることができる。また、この凹凸は、前記コンタクト層及び前記第１クラッド層の膜厚を適切な値に設定することにより、前記活性層の表面の凹凸に沿った構造として得ることができる。このため、製造に必要な工程数は増加しない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る発光素子の構成を説明する為の縦断面図である。この発光素子は、III族窒化物系の半導体を活性層としている。本実施形態において、基板1にはサファイヤ、炭化珪素（ＳｉＣ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、シリコン（Ｓｉ）等を用いることができる。Ｓｉ基材を用いる場合、（１１１）面上に窒化物半導体層を作成することが好ましい。その（１１１）面である第１導電型（例えばｎ型）のＳｉ基材１の表面にはIII族窒化物層からなる遮蔽層２及び導電層３が形成されている。導電層３は、例えば第１導電型のＡｌ_aＧａ_ｂＩｎ_1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、かつ０≦ａ＋ｂ≦１）である。遮蔽層２は導電層３とＳｉ基材１が反応することを防止するための層であり、例えば厚さが２〜３ｎｍのＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ≦１）層である。導電層３上には、厚さが５〜４０ｎｍのＡｌ_ｃＧａ_ｄＩｎ_1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、かつ０≦ｃ＋ｄ≦１）層及び厚さが２．５〜２０ｎｍのＡｌ_ｅＧａ_ｆＩｎ_1-ｅ-ｆＮ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、かつ０≦ｅ＋ｆ≦１）層を交互に積層させた多層膜４が形成されている。この多層膜により、基材と多層膜上に積層するIII族窒化物層との格子定数の違いによる結晶歪、熱膨張係数の違いにより熱応力を緩衝させる。なお、ａ、ｂ、c、ｄ、ｅ、ｆ、ｘは正数である。

多層膜４上には、第１導電型の第２クラッド層５が形成されている。第２クラッド層５は、例えばＡｌ_ｇＧａ_ｈＩｎ_1-ｇ-ｈＮ（０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１、かつ０≦ｇ＋ｈ≦１）層である。なお、ｇ、ｈは正数である。この第２クラッド層５には、厚さ方向に伸びる複数の転位欠陥が互いに離間して存在している。これらの転位欠陥は、Ｓｉ基材１とＳｉ基材１上の各層の格子定数差に起因したものであり、遮蔽層２から各層に伝播、形成されている。この、第２クラッド層５の転位欠陥は、１００〜１７０ｎｍの間隔で、密度１０^９〜１０^１１の割合で存在するのが、後述する活性層の表面を凹凸構造とすることが可能となるため好ましい。遮蔽層２、導電層３、及び多層膜４それぞれの構成する元素の構成比、厚さ、成膜条件等を制御することにより、このような間欠的に発生する転位欠陥を形成することができる。

第２のクラッド層５上には活性層６が形成されている。活性層６は、Ａｌ_ｉＧａ_ｊＩｎ_1-ｉ-ｊＮ（０≦ｉ≦１、０≦ｊ≦１、かつ０≦ｉ＋ｊ≦１）層からなる井戸層を、Ａｌ_ｋＧａ_ｌＩｎ_1-ｋ-ｌＮ（０≦ｋ≦１、０≦ｌ≦１、かつ０≦ｋ＋ｌ≦１）層からなる障壁層で挟んだ構造を積層させた量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。井戸層の組成は発光波長により適宜選択することが可能であり、障壁層は井戸層と比較してバンドギャップが大きくなるように組成が調整されている。なお、ｉ、ｊ、ｋ、ｌは正数である。

また、活性層６は、表面に凹凸を有している。この凹凸は、井戸層と障壁層が選択的に成長することにより形成されたものである。詳細には、第２クラッド層内に存在する転位欠陥上には活性層６の成長速度が遅いため、活性層６が隣接する転位欠陥の間に形成され、活性層の表面に凹凸構造が形成される。ここで活性層６の表面とは、活性層６のうち第１クラッド層７が積層される面である。活性層６における井戸層の積層数を５〜１５層とすることで、活性層６表面の凹凸構造の高低差(以下、凹凸高低差)を１００〜１５０ｎｍと大きくすることが可能となり、後述する第1クラッド層、コンタクト層表面の凹凸構造を維持させることが可能となり好ましい。ここで凹凸構造の高低差とは、素子表面の層であれば、その層表面の任意の1μｍ^２をＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）測定を行い、その表面の最大凹凸差であり、素子内部の層であれば、例えば任意の素子断面の１０００倍で撮影した透過顕微鏡(ＴＥＭ)写真において、基板上に成長させた半導体層の総厚の最も厚い部分(山の部分)と最も薄い部分(谷の部分)の差である。

なお、活性層６において表面に凹凸が形成されるためには、多岐の要件が関係しているが、特に活性層６に適切な歪みが加わっていること、及び第２クラッド層５の転位欠陥の密度が適切な値に調整することが重要である。活性層６に適切な歪みを加えるためには、第２クラッド層５に適切な歪みが存在していることが必要であり、このためには、第２クラッド層５とシリコン基板１との間の熱膨張係数差に起因した応力を適切な値に緩和する必要がある。この緩和は、多層膜の層数、層厚により調整している。

活性層６上には、第２導電型の第１クラッド層７が形成されている。第１クラッド層７は、活性層６表面の凹凸高低差より薄く、第１クラッド層７は、例えばＡｌ_αＧａ_βＩｎ_1-α-βＮ（０＜α≦１、０≦β≦１、かつ０＜α＋β≦１）層である。このように、第1クラッド層７は少なくともＡｌを含んでいる。Ａｌを含むことで第１クラッド層７の表面を、活性層６の表面の凹凸に沿った凹凸構造を維持したまま成長しやすくなる。ここで第１クラッド層７の表面とは、第１クラッド層７のうちコンタクト層８が積層される面である。さらに第１クラッド層７の膜厚を、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることが好ましい。第１クラッド層７の膜厚を１０ｎｍ以上とすることで、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めて発光効率を向上させることができ、１５０ｎｍ以下と活性層６の表面の凹凸を埋めない程度の膜厚に設定とすることにより、第１クラッド層７は、活性層６と略同じ場所に凹部及び凸部を有する。好ましくは、第１クラッド層７の膜厚を３０ｎｍ以下とすることで、表面の凹凸高低差を大きくすることができ、光取り出し効率を向上させることができる。なお、第１クラッド層７の膜厚は、例えば発光素子を基板１に対して垂直に切断し、この切断面に露出した、活性層の谷の部分に基板に対して垂直方向に成長した第１クラッド層７の厚さとして定義することができる。

なお、第１クラッド層７において、活性層の発光波長が５００ｎｍ以下の可視光の場合、好ましくは０．１５≦α≦０．３である。αが０．１５より小さいと活性層とのバンドギャップ差が小さく光閉じ込め効果が弱くなり、高光出力が得られない。αが０．３０より大きいと抵抗率が増加し順方向電圧（Vf）が上昇するため、高光出力が得られない。
このように、第１クラッド層７は、活性層６及び第２クラッド層５とともにダブルヘテロ接合構造を構成している。

第１クラッド層７上には、第２導電型のコンタクト層８が形成されている。コンタクト層８は、例えばＡｌ_γＧａ_θＩｎ_1-γ-θＮ（０≦γ＜α、０≦θ≦１、かつ０≦γ＋θ≦１）層である。コンタクト層８のＡｌ組成を第１クラッド層７のＡｌ組成よりも小さくすることで、電極の接触抵抗を低減させることができ、発光効率を向上させることができる。このためコンタクト層８は、発光波長よりもバンドギャップが大きい組成とすることが好ましく、電極の接触抵抗を低減させるため、θ≧0.8とすることが好ましい。コンタクト層８は、第１クラッド層７の表面の凹凸に沿った凹凸構造の表面を有している。ここでコンタクト層８の表面とは、コンタクト層８のうち電極が積層される側の面である。このような構造にするためには、コンタクト層８の厚みを１０ｎｍ以上、１３０ｎｍ未満とすることが好ましい。コンタクト層８を１０ｎｍ以下とすると、接触抵抗が高くなり、発光効率が低下してしまう。また１３０ｎｍ以上とすると、コンタクト層８表面の凹凸高低差が小さくなり、発光効率が低下してしまう。また、コンタクト層８の厚みを上記した範囲に収めると発光素子の総膜厚も抑えられるため、発光効率も向上する。さらには、第１クラッド層７の厚さとコンタクト層８の厚さの和の値を、活性層６表面の凹凸高低差より小さくするのが好ましい。なお、コンタクト層８の厚さは、例えば発光素子を基板１の積層面に対して鉛直方向に切断し、この切断面に露出した活性層の谷の部分に、基板１の積層面に対して鉛直方向に成長したコンタクト層８の厚さとして定義することができる。

コンタクト層８表面上の少なくとも一部には、電極９が形成されている。電極９として、層状の透明電極を用いることができる。透明電極９は、第１クラッド層７とオーミック接触が得られる材料であればよく、例えば薄い金属膜（例えばＮｉ膜とＡｕ膜の積層膜）を用いることができる。透明電極９の一部上には第２導電型のオーミック電極１０が形成されている。オーミック電極１０は、例えば金属膜（例えばＮｉ膜とＡｕ膜の積層膜）である。また、Ｓｉ基材１の裏面には第１導電型のオーミック電極１１が形成されている。オーミック電極１１は、例えば金属膜（例えばＡｕＳｂ膜とＡｕ膜の積層膜）である。

次に、図１に示した発光素子の製造方法について説明する。まずトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、及びＮＨ_３を原料ガスとしたＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を形成する。それぞれの原料ガスの流量を調整することで各窒化物半導体層の組成の調整を行い、遮蔽層２、導電層３、多層膜４、第２クラッド層５、活性層６、第１クラッド層７、及びコンタクト層８を形成する。これらの工程は、同一の半導体製造装置内で連続して行うことができる。さらに、透明電極９及びオーミック電極１０を形成し、その後オーミック電極１１を形成する。透明電極９及びオーミック電極１０，１１は、例えば真空蒸着法により形成することができる。

上記した工程において、Ｓｉ基材１の温度を９００℃以上にするのが好ましい。なお、Ｓｉ基材１の温度を９００℃以上にしても、上記したようにＳｉ基材１の上には遮蔽層２及び導電層３が形成されているため、これらより上に位置する各層とＳｉ基材１が反応することを防止できる。

以上、本実施形態に係る発光素子は、発光層となる活性層６は、上面に凹凸を有するように成長している。また、活性層６の上方すなわち光射出側に形成された第１クラッド層７及びコンタクト層８それぞれの膜厚は、それぞれの層の表面に活性層６の凹凸に従った凹凸を表面に有するように調整されている。このように、透明電極９の下に位置するコンタクト層８の表面に凹凸が形成されているため、活性層６から発光した光が第１クラッド層７及びコンタクト層８それぞれの表面で反射する割合が低くなり、発光素子の光射出効率すなわち発光効率を高くすることができる。また、第１クラッド層７及びコンタクト層８それぞれの表面に凹凸を形成する工程を独立して設ける必要がない（例えばエッチングにより表面に凹凸を形成する必要がない）ため、製造コストは増加しない。

図１に示した構造を有する発光素子を作製した。各発光素子において、遮蔽層２としては厚さ２〜３ｎｍ程度のＡｌＮ層を形成し、導電層３としては厚さ２０ｎｍ程度のｎ型のＡｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ｎ層を形成した。また、多層膜４としては、厚さ２０ｎｍ程度のＧａＮ層と厚さ５ｎｍ程度のＡｌＮ層とを交互に積層した膜を形成した。また、第２クラッド層５としては厚さ２００ｎｍ程度のｎ型ＧａＮ層を形成し、活性層６としては、厚さ２．３ｎｍのＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎの量子井戸層と厚さ１０ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎのバリア層の発光波長が約５１０ｎｍ(緑色光)の量子井戸構造とし、量子井戸層数は１５層とした。また、第１クラッド層７としては、厚さ３０ｎｍ程度のｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層を活性層の凹凸に沿って形成した。また、コンタクト層８は、ｐ型ＧａＮ層を活性層の凹凸に沿って形成した。コンタクト層８の膜厚は、４０ｎｍである。また、透明電極９は厚さ６ｎｍのＮｉ膜と厚さ６〜１０ｎｍのＡｕ膜（Ｎｉの酸化防止膜）を積層した構造であり、オーミック電極１０は厚さ１２ｎｍのＮｉ膜と厚さ１００ｎｍのＡｕ膜を積層した構造である。

また、比較例１として、コンタクト層８の膜厚が２００ｎｍとした以外は実施例と同じ発光素子を作製し、比較例２として、コンタクト層８の膜厚が１３０ｎｍとした以外は実施例と同じ発光素子を作製した。図２に比較例１の断面構造を、図３に比較例２の断面構造を、それぞれ示す。それぞれの試料のコンタクト層８の厚み、活性層６表面の凹凸高低差、第１クラッド層７表面の凹凸高低差、コンタクト層８表面の凹凸高低差を表１に示す。コンタクト層８の厚みは、素子断面の１０００倍のＴＥＭ写真より、活性層の谷の部分に成長した部分の厚みを測定し、活性層６、第1クラッド層７、及びコンタクト層８それぞれの層表面の凹凸高低差は、同条件で作成した試料の各層表面を1μｍ^２の広さほどＡＦＭにより測定した。

図４は、実施例、及び比較例１，２それぞれに係る発光素子の光出力を示すグラフである。本グラフは横軸が注入電流（ｍＡ）であり、縦軸が光出力である。発光出力は、オーミック電極１０から１０ｍｍ離れた場所に光検出器を配置することにより測定した。本図に示すように、実施例に係る発光素子は、比較例１、比較例２に係る発光素子と比較して光出力が約３０％高くなっている。

図５は、実施例１の試料において、コンタクト層８の膜厚を変化させた際のコンタクト層８表面の凹凸の高低差の関係を示すグラフである。この凹凸高低差はＡＦＭにより測定した。コンタクト層８の膜厚がそれぞれ０ｎｍ、２２ｎｍ、４１ｎｍ、６２ｎｍ、８０ｎｍ、１０５ｎｍ、１２０ｎｍ、１３３ｎｍ、１５１ｎｍ、１８０、２００ｎｍの場合において、コンタクト層８表面の凹凸の高低差はそれぞれ１４２ｎｍ、１２３ｎｍ、１０１ｎｍ、７５ｎｍ、５５ｎｍ、２５ｎｍ、１１ｎｍ、７ｎｍ、６ｎｍ、５ｎｍ、４ｎｍである。この図から、コンタクト層８の膜厚を１３０ｎｍ未満とすることで、コンタクト層８表面の凹凸高低差を１０ｎｍ以上と大きくすることができることが示され、凹凸高低差が10ｎｍ以上となることで光出力が向上していた。

これにより、第１クラッド層７の膜厚及びコンタクト層８の膜厚を本発明で規定する範囲内に収めることにより、コンタクト層８表面の凹凸高低差を十分大きくすることができ、その結果、発光素子の発光効率を従来例と比較して約３０％高くできることが示された。

第１の実施形態に係る面発光素子の構造を説明する為の断面図。比較例１に係る面発光素子の構造を説明する為の断面図。比較例２に係る面発光素子の構造を説明する為の断面図。実施例及び比較例それぞれに係る発光素子の光出力を示すグラフ。コンタクト層８の膜厚とコンタクト層８表面の凹凸高低差の関係を示すグラフ。

符号の説明

１…Ｓｉ基材、２…遮蔽層、３…導電層、４…多層膜、５…第２クラッド層、６…活性層、７…第１クラッド層、８…コンタクト層、９…透明電極、１０，１１…オーミック電極

Claims

表面に凹凸を有する活性層と、
前記活性層の表面上又は上方に位置し、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有する半導体層と、
を具備することを特徴とする発光素子。
前記活性層は量子井戸層を有し、該量子井戸層数が５層以上、１５層以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
表面に凹凸を有する活性層と、
前記活性層の表面上に形成され、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有する第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成され、前記第１クラッド層の表面の凹凸に沿った凹凸を表面に有するコンタクト層と、
を具備することを特徴とする発光素子。
前記コンタクト層の膜厚が１３０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
表面に凹凸を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、膜厚が前記活性層の凹凸の高低差より小さく、前記活性層の表面の凹凸に沿った凹凸を有する第１クラッド層と、
を具備することを特徴とする発光素子。
前記第１クラッド層の膜厚は１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
前記第１クラッド層は、少なくともＡｌを含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の発光素子。
前記活性層の下に位置する第２クラッド層を更に具備し、
前記第２クラッド層の転位欠陥密度が１０^９〜１０^１１／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の発光素子。
前記第２クラッド層の転位欠陥の間隔が１００〜１７０ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
基材上に形成された下地層を更に具備し、
前記第２クラッド層は、前記下地層上に形成され、
前記下地層は、厚さが３μｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載の発光素子。
前記活性層は、III族窒化物半導体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発光素子。