JP2008109021A

JP2008109021A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2008109021A
Application number: JP2006292429A
Authority: JP
Inventors: Kuniyoshi Okamoto; 國美岡本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US20080128729A1

Abstract

【課題】光取出面から取り出される光量を高めつつ偏光比の高い光を取り出し可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に積層された窒化物半導体積層構造３と、アノード電極４と、カソード電極６と、反射層７とを備えている。基板２は、ＧａＮの単結晶からなり、基板２の主面は、無極性面であるｍ面で構成されている。窒化物半導体積層構造３は、光を発光可能な活性層１２を含み、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層からなる。反射層７は、光取出方向Ａとは反対方向へ進行する光を光取出方向Ａへと反射するためのものであり、光取出面Ａとは反対側の面である基板２の底面２ａに形成されている。反射層７は、Ａｌからなり、光を反射するために基板２の底面２ａとはショットキー接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子に関する。

従来、青色などの光を発光可能な活性層を有する様々な窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子が知られている。

例えば、特許文献１には、サファイア基板上にＧａＮ層、活性層を構成するＩｎＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層などの複数の窒化物半導体層が積層された窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子が開示されている。また、この半導体発光素子では、基板の底面に窒化アルミニウムからなる反射層が形成されている。

特許文献１の半導体発光素子では、基板の底面に反射層を設けることにより、活性層から光取出方向の反対方向、即ち、基板側に進行する光をも反射させて光取出方向から取り出すことを可能としている。これにより、光取出方向とは反対側から放出されていた光をも光取出方向から取り出すことができるので、光取出方向へと取り出される光量を向上させることができた。
特許第３４１２５６３号公報

しかしながら、上述した特許文献１の半導体発光素子では、反射層を設けることにより光取出方向へと取り出させる光量を向上させることができたが、活性層において発光される光が偏光していないため、取り出される光の偏光比が低いといった問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、光取出面から取り出される光量を高めつつ偏光比の高い光を取り出し可能な半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光を発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子において、前記窒化物半導体積層構造の主面が、略無極性面又は略半極性面であり、前記活性層により発光された光が取り出される光取出面とは反対側の面には、光を光取出面へと反射するための反射層を備え、前記反射層は、金属からなり、形成された面とショットキー接続されていることを特徴とする半導体発光素子である。

ここで、略無極性面とは、無極性面及び無極性面の面方位からのオフ角が±１°以内である面を含む概念である。また、略半極性面とは、半極性面及び半極性面の面方位からのオフ角が±１°以内である面を含む概念である。

また、請求項２に記載の発明は、前記反射層が形成される面は、鏡面加工されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。尚、ここでいう鏡面加工とは、例えば、反射層が形成される面の表面の凹凸の高さが、活性層で発光される光の波長よりも小さくなるように表面を加工することをいう。

本発明によれば、略無極性面又は略半極性面を主面とする窒化物半導体積層構造を備えることにより、活性層において偏光した光を発光させることができるので、取り出される光の偏光比を高めることができる。また、発光した光のうち、光取出面と反対側に進行した光は、一般に外部の筐体などにより散乱されて偏光比が低下するが、本発明では、ショットキー接続された金属からなる反射層を設けることにより、光取出面とは逆方向に進行した光を光取出面へと反射することができるので、光が光取出面の反対側から放出されて、外部で散乱されることに起因する偏光比の低下を抑制できる。これにより、光取出面から取り出される光量を高めつつ、偏光比を高めることができる。

また、反射層が形成される面を鏡面加工することにより、反射層に入射する光が当該面で散乱されることを抑制できるので、より偏光比の高い光を取り出すことができる。

以下、図面を参照して本発明を発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用した第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態による半導体発光素子（発光ダイオード）の断面図である。

図１に示すように、半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に積層された窒化物半導体積層構造３と、アノード電極４と、カソード電極６と、反射層７とを備えている。

基板２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）の単結晶からなる。尚、ＧａＮの単結晶の製造方法は特に限定されるものではない。基板２の主面には、窒化物半導体積層構造３が積層される。この基板２の主面は、無極性面であるｍ面で構成されている。尚、ｍ面は、ＧａＮの結晶構造を六角柱の六方晶と近似した場合、六角柱の側面に相当する面（例えば、（１０−１０）面）のことである。また、基板２の面のうち光取出方向Ａの反対側の面、即ち、反射層７が形成される側の面である底面２ａは、表面の凹凸の高さが後述する活性層１２により発光される光の波長よりも小さくなるように鏡面加工されている。

窒化物半導体積層構造３は、基板２側から順に、ｎ型コンタクト層１１と、活性層１２と、ファイナルバリア層１３と、ｐ型電子阻止層１４と、ｐ型コンタクト層１５とが積層されている。ここで、上述したように基板２の主面をｍ面で構成しているので、基板２の主面上に積層された窒化物半導体積層構造３の主面も、活性層１２において偏光された光を発光することが可能な無極性面であるｍ面に構成されている。

ｎ型コンタクト層１１は、ｎ型のドーパントとして濃度が約１×１０^１８ｃｍ^―３のシリコンがドープされた約３μｍ以上の厚みを有するｎ型ＧａＮ層からなる。

活性層１２は、シリコンがドープされた厚さ約３ｎｍのＩｎＧａＮ層と厚さ約９ｎｍの厚さのＧａＮ層とが交互に５周期積層された量子井戸構造を有する。この活性層１２は、約４３０ｎｍの光を発光する。

ファイナルバリア層１３は、約４０ｎｍの厚みを有するＧａＮ層からなる。尚、ドーピングについては、ｐ型、ｎ型及びノンドープのいずれでもよいが、ノンドープが好ましい。

ｐ型電子阻止層１４は、ｐ型のドーパントとして濃度が約３×１０^１９ｃｍ^−３のマグネシウムがドープされた約２８ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮ層からなる。

ｐ型コンタクト層１５は、ｐ型のドーパントとして濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３のマグネシウムがドープされた約７０ｎｍの厚みを有するＧａＮ層からなる。ｐ型コンタクト層１５の光取出方向Ａ側の光取出側面１５ａは、活性層１２から発光された光を窒化物半導体積層構造３から取り出すためのものである。この光取出側面１５ａの表面は、光の散乱を抑制して偏光比の低下を抑制するために、凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面加工されている。例えば、結晶成長により、上述したような平坦な鏡面を得ることができる。

アノード電極４は、Ｎｉ層及びＡｕ層をｐ型コンタクト層１５側から順に積層した金属層からなる。アノード電極４は、ｐ型コンタクト層１５とオーミック接続されるとともに、窒化物半導体積層構造３の水平方向（積層方向と直行する方向）の全領域に均一に電流を流すためにｐ型コンタクト層１５上の略全面を覆うように形成されている。このアノード電極４は、活性層１２により発光された光を透過可能な約２００Å以下の厚みを有する。アノード電極４の光取出面４ａは、活性層１２により発光された光が取り出される面であって、ｐ型コンタクト層１５の光取出側面１５ａと同様に、表面の凹凸が約１００ｎｍ以下になるように鏡面加工されている。例えば、電子ビーム蒸着法を用いれば、上述したような鏡面を得ることができる。このように、鏡面加工された光取出側面１５ａ及び光取出面４ａによって、活性層１２から発光された光は散乱が抑制されるので偏光比が高く維持されたまま取り出される。アノード電極４上の一部の領域には、Ｔｉ層及びＡｕ層が積層された接続部５が設けられている。

カソード電極６は、Ｔｉ層及びＡｌ層が積層されている。カソード電極６は、ｎ型コンタクト層１１の上面のうち露出されている領域にオーミック接続された状態で形成されている。

反射層７は、光取出方向Ａとは反対方向へ進行する光を光取出方向Ａへと反射するためのものであり、光取出面４ａとは反対側の面である基板２の底面２ａに形成されている。反射層７は、Ａｌからなり、光を反射するために基板２の底面２ａとはショットキー接続されている。尚、反射層７を構成する材料は、Ａｌに限定されるものではなく、ＰｔやＡｇなどにより構成しても良い。

次に、上述した半導体発光素子１の動作説明をする。この半導体発光素子１では、アノード電極４から電子が供給されるとともに、カソード電極６からホールが供給されると、ｎ型コンタクト層１１を介して活性層１２に電子が注入され、半導体層１３〜１５を介して活性層１２にホールが注入される。活性層１２に注入された電子及びホールは結合して約４３０ｎｍの光を発光する。ここで窒化物半導体積層構造３の主面は無極性面であるｍ面なので、活性層１２により発光された光は偏光している。

この偏光した光のうち、光取出方向Ａに進行する光は、半導体層１３〜１５及びアノード電極４を透過して外部に取り出される。一方、光取出方向Ａと反対方向に進行する光は、反射層７により光取出方向Ａへと反射される。ここで、反射層７が形成される側の基板２の底面２ａは鏡面加工されているので、底面２ａで光の散乱を抑制できる。このため、光の偏光比の低下を抑制できるので、基板２側へ進行した光も散乱されることなく偏光状態を略保ったまま、半導体層１３〜１５及びアノード電極４を透過して外部に取り出される。

次に、上述した半導体発光素子の製造方法について説明する。

まず、主面が無極性面のｍ面でありＧａＮの単結晶からなる基板２を用意する。ここで、無極性面であるｍ面を主面とする基板２は、まず、Ｃ面を主面とするＧａＮ単結晶基板を切り出した後、（０００１）方向及び（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が±１°以内（好ましくは±０．３°以内）になるようにＣＭＰ法（化学的機械的研磨法）によって表面を研磨し、鏡面加工することによって作製される。これにより、ｍ面を主面とし、転位や積層欠陥といった結晶欠陥が少なく、表面の段差が原子レベルまで抑制された基板２を得ることができる。

次に、上述した基板２上にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体積層構造３を成長させる。具体的には、まず、基板２をＭＯＣＶＤ装置（図示略）の処理室内に導入し、加熱及び回転可能なサセプタ上に配置する。尚、処理室内は、１／１０気圧〜常圧に設定され、常に処理室内の雰囲気が排気されている。

次に、表面の荒れを抑制しつつＧａＮ層を成長させるために、基板２が保持された処理室内にキャリアガス（Ｈ_２ガス）によってアンモニアガスを供給しつつ、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に昇温させる。

次に、基板２の温度が約１０００℃〜約１１００℃まで上昇した後、キャリアガスによってアンモニア、トリメチルガリウム及びシランを処理室に供給して、シリコンがドープされたｎ型ＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１１を成長させる。

次に、基板２の温度を約７００℃〜約８００℃に設定した後、キャリアガスによってアンモニア、トリメチルガリウムを処理室に供給してノンドープのＧａＮ層を成長させた後、上述のガスとともにシラン及びトリメチルインジウムを供給することによりシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層を成長させる。

そして、これらノンドープのＧａＮ層とシリコンがドープされたＩｎＧａＮ層を成長させる工程を交互に所望の回数繰り返すことによって量子井戸構造を有する活性層１２を形成する。その後、キャリアガスによってアンモニア及びトリメチルガリウムを処理室に供給して、ＧａＮ層からなるファイナルバリア層１３を成長させる。

次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃まで昇温させた後、キャリアガスによってアンモニアガス、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム及びエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子阻止層１４を成長させる。

次に、基板２の温度を約１０００℃〜約１１００℃に保ったまま、キャリアガスによってアンモニアガス、トリメチルガリウム及びエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを処理室に供給して、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層１５を成長させる。これによって窒化物半導体積層構造３が完成する。

次に、電子線ビーム蒸着法又は抵抗加熱法を用いて金属蒸着装置により基板２の底面２ａにＡｌからなる反射層７を成長させる。ここで反射層７と基板２とをショットキー接続させるために、反射層７を形成した後にアニールなどの工程は行わない。

次に、抵抗加熱法または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極４を形成する。その後、窒化物半導体積層構造３及び反射層７が形成された基板２をエッチング室に移動させて、ｎ型コンタクト層１１の一部が露出するように窒化物半導体積層構造３の一部をプラズマエッチングする。

次に、抵抗加熱法または電子線ビーム蒸着法による金属蒸着装置によって、接続部５、カソード電極６を形成する。この後、劈開により各素子ごとに分割されて、図１に示す半導体発光素子１が完成する。

次に、本発明による半導体発光素子の効果を証明するために行った実験について説明する。

まず、実施例として光取出面とは反対側の面である基板の底面に２００ｎｍの厚みを有する反射層を設けた半導体発光素子を作製した。更に、これらの半導体発光素子に、活性層により発光される偏光の偏光方向と偏光方向が平行な偏光板を光取出面に設けたものを実施例Ａ１とし、活性層により発光される偏光の偏光方向と偏光方向が垂直な偏光板を光取出面に設けたものを実施例Ｂ１として作製した。

次に、比較例として、基板の底面に反射層を有さない以外は実施例と同じ構成を有する半導体発光素子を作製した。更に、これらの半導体発光素子に、活性層により発光される偏光の偏光方向と偏光方向が平行な偏光板を光取出面に設けたものを比較例Ａ２とし、活性層により発光される偏光の偏光方向と偏光方向が垂直な偏光板を光取出面に設けたものを比較例Ｂ２として作製した。

次に、それぞれの発光強度を測定した。実施例Ａ１、Ｂ１の各波長における発光強度の測定結果を図２に、比較例Ａ２、Ｂ２の各波長における発光強度の測定結果を図３に示す。

ここで、測定された発光強度に基づく、実施例Ａ１、Ｂ１及び比較例Ａ２、Ｂ２の光の強さをそれぞれＩ_Ａ１、Ｉ_Ｂ１、Ｉ_Ａ２、Ｉ_Ｂ２とすると、実施例Ａ１、Ｂ１の偏光比ρ_１は、
ρ_１＝（Ｉ_Ａ１−Ｉ_Ｂ１）／（Ｉ_Ａ１＋Ｉ_Ｂ１）＝０．８７
となり、比較例Ａ２、Ｂ２の偏光比ρ_２は、
ρ_２＝（Ｉ_Ａ２−Ｉ_Ｂ２）／（Ｉ_Ａ２＋Ｉ_Ｂ２）＝０．８４
となった。この結果、反射層を設けることにより、偏光比が０．０３上昇したことが証明された。

上述したように、第１実施形態による半導体発光素子１では、無極性面であるｍ面を主面とする窒化物半導体積層構造３を備えているので、活性層１２において偏光した光が発光する。ここで発光した光のうち、光取出方向Ａと逆方向に進行した光は、一般に基板の底面から放出された後、外部の筐体などにより散乱されて偏光比が低下するが、第１実施形態による半導体発光素子１では、基板２の底面２ａに反射層７を設けることにより、光取出方向Ａとは反対方向に進行した光を光取出方向Ａへと反射することができるので、光が基板２の底面２ａから放出されて、外部で散乱されることに起因する偏光比の低下を抑制することができる。

これにより、光取出面４ａから取り出される光量を向上させることができるとともに、偏光比の高い光を光取出面４ａから取り出すことができる。更に、基板２の底面２ａを鏡面加工することにより、基板２から反射層７に光が入射する際に、底面２ａにおける光の散乱を抑制することができるので、より偏光比の高い光を取り出すことができる。

このように半導体発光素子１は、偏光比が高い光を取り出せるので、液晶ディスプレイの光源として半導体発光素子１を適用した場合、光を偏光させるための偏光フィルターを一つ省略することができる。または、偏光フィルターを透過する光の割合を大きくすることができる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、各層を構成する材料や厚み、ドーパントの濃度などは適宜変更可能である。

また、上述の実施形態では、本発明を発光ダイオードに適用した例を示したが、レーザなど他の装置に本発明を適用してもよい。

また、上述の実施形態では、基板２の主面をｍ面としたが、基板の主面はｍ面に限定されるものではなく、活性層で発光された光を偏光させることが可能な略無極性面又は略半極性面によって構成してもよい。尚、略無極性面又は略非極性面とは、無極性面及び半極性面のみならず、無極性面から±１°以内のオフ角を有する面及び半極性面から±１°以内のオフ角を有する面を含む概念である。ここで、基板を構成するＧａＮの結晶構造及び結晶面について簡単に説明する。ＧａＮの結晶構造は、六角柱型の六方晶系で近似することができる。そして、六角柱の軸方向に沿うＣ軸を法線とする面がＣ面（０００１）となる。既知の通り、ＧａＮの結晶構造では、分極方向がＣ軸方向に沿っているため、Ｃ面が＋Ｃ軸側の面と−Ｃ軸側の面とで異なる性質を示すので、Ｃ面は極性面（ＰｏｌａｒＰｌａｎｅ）となる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０−１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１−２０）である。これらは、Ｃ面に対して垂直な結晶面であり、分極方向に対して直交しているので、極性のない無極性面（ＮｏｎｐｏｌａｒＰｌａｎｅ）である。また、Ｃ面に対して平行でもなく直角でもなく傾斜している結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているので、若干の極性を有する半極性面（ＳｅｍｉｐｏｌａｒＰｌａｎｅ）である。半極性面の具体例としては、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１１−２２）面、（１１−２４）面、（１０−１２）面などがある。

また、基板を構成する材料はＧａＮ単結晶に限定されるものではなく、主面がｍ面又はａ面のサファイア基板、主面が（１００）面又は（１１０）面のスピネル基板、主面がｍ面のＳｉＣ基板、ＬｉＡｌＯ_２基板、などを適用することもできる。

第１実施形態による半導体発光素子の断面図である。実施例による発光強度と波長の関係を示す図である。比較例による発光強度と波長の関係を示す図である。

符号の説明

１半導体発光素子
２基板
２ａ底面
３窒化物半導体積層構造
４アノード電極
４ａ光取出面
５接続部
６カソード電極
７反射層
１１型コンタクト層
１２活性層
１３ファイナルバリア層
１４ｎ型電子阻止層
１５ｐ型コンタクト層
１５ａ光取出側面

Claims

光を発光可能な活性層を含む窒化物半導体積層構造を備えた半導体発光素子において、
前記窒化物半導体積層構造の主面が、略無極性面又は略半極性面であり、
前記活性層により発光された光が取り出される光取出面とは反対側の面には、光を光取出面へと反射するための反射層を備え、
前記反射層は、金属からなり、形成された面とショットキー接続されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記反射層が形成される面は、鏡面加工されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。