JP2010183030A

JP2010183030A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2010183030A
Application number: JP2009027708A
Authority: JP
Inventors: Koji Okuno; 浩司奥野
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-09
Also published as: JP5423026B2

Abstract

【課題】ｐ電極とのコンタクトを良好にとることができ、駆動電圧が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子を実現すること。
【解決手段】ｐ型コンタクト層１６は、ｐ型クラッド層１５側から第１ｐ型コンタクト層１６ａ、第２ｐ型コンタクト層１６ｂ、第３ｐ型コンタクト層１６ｃの順に積層された３層構造である。第１ｐ型コンタクト層１６ａは、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下である。第２ｐ型コンタクト層１６ｂは、Ｍｇ濃度が４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³で、厚さは１０〜６０ｎｍである。第３ｐコンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以上で、厚さは２〜１０ｎｍである。また、第１ｐ型コンタクト層１６ａと第２ｐ型コンタクト層１６ｂの厚さの合計は、２０〜３００ｎｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｐ電極のコンタクト抵抗が低減され、駆動電圧が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子、およびその製造方法に関する。

従来より、III 族窒化物半導体発光素子では、ｐ電極のコンタクト抵抗を低減するために、ｐ電極に接するｐ型コンタクト層にＭｇを高濃度にドープしている。しかし、Ｍｇを高濃度にドープすると、イオン化不純物散乱によってホールの移動度が低下したり、点欠陥が生じるなどの問題が生じてしまう。その結果、ｐ電極から注入されたホールは発光層側に進みにくくなり、駆動電圧の上昇を招いてしまう。

そこで特許文献１に示された技術では、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度をクラッド層側から電極側に向かって連続的、または階段的に増加させることで、ｐ型コンタクト層の結晶性を維持しつつコンタクト抵抗を低減している。

特開平１１−２７４５５６

しかしながら、特許文献１ではｐ型コンタクト層の厚さや、その厚さ方向におけるＭｇ濃度の分布について十分な考察がなされておらず、これらを考慮すればさらなるコンタクト抵抗の低減を図れる可能性があった。

そこで本発明の目的は、ｐ型コンタクト層の厚さや、そのＭｇ濃度の分布を適化することで、コンタクト抵抗がより低減された発光素子、およびその製造方法を提供することである。

第１の発明は、III 族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層上に、III 族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層を有し、ｐ型コンタクト層上にｐ電極が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、ｐ型コンタクト層は、ｐ型クラッド層側から順に第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層、第３ｐ型コンタクト層の３層構造であり、第１ｐ型コンタクト層は、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下、第２ｐ型コンタクト層は、Ｍｇ濃度が４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³で、厚さが１０〜６０ｎｍ、第３ｐ型コンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以上で、厚さが２〜１０ｎｍであり、第１ｐ型コンタクト層と第２ｐ型コンタクト層の厚さの合計が２０〜３００ｎｍである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。通常は、Ｇａを必須とするＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。

また第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層、および第３ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、各層における平均の値が上記の範囲であればよく、層の一部領域に上記範囲外のＭｇ濃度の領域が生じていてもよいし、濃度勾配があってもよい。

第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層、第３ｐ型コンタクト層は、それぞれ組成比が異なっていてもよいが、製造の容易さなどのため同一組成であることが望ましい。また、第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層、第３ｐ型コンタクト層は、それぞれ単層であっても複層であってもよい。

第１ｐ型コンタクト層は、ドーパントガスを供給せずに結晶成長させることで、メモリー効果によってＭｇがドープされるようにしてもよい。

第１ｐ型コンタクト層および第２ｐ型コンタクト層は、９００℃以上の温度で成長させるとよい。結晶性がよくなるからである。ただし、第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層よりもＭｇ濃度を高くする必要のある第３ｐ型コンタクト層については必ずしも９００℃以上とする必要はない。成長温度が高いほど結晶にＭｇが入り込みにくくなるためである。

第２の発明は、第１の発明において、第１ｐコンタクト層は、Ｍｇ濃度が高い層とＭｇ濃度が低い層が交互に繰り返し積層された構造である、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ｐ型コンタクト層は、ｐ−ＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第４の発明は、III 族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層上に、III 族窒化物半導体からなり、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下の第１ｐ型コンタクト層を形成する工程と、第１ｐ型コンタクト層上に、III 族窒化物半導体からなり、Ｍｇ濃度が４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³で、厚さが１０〜６０ｎｍの第２ｐ型コンタクト層を形成する工程と、第２ｐ型コンタクト層上に、III 族窒化物半導体からなり、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以上で、厚さが２〜１０ｎｍの第３ｐコンタクト層を形成する工程と、第３ｐコンタクト層上に、ｐ電極を形成する工程と、を備え、第１ｐ型コンタクト層と第２ｐ型コンタクト層は、その厚さの合計が２０〜３００ｎｍとなるように形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第５の発明は、第４の発明において、第１ｐ型コンタクト層は、ドーパントガスを供給せずに形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第６の発明は、第４の発明において、第１ｐ型コンタクト層は、ドーパントガスの供給とその供給の停止を交互に繰り返して形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第７の発明は、第４の発明から第６の発明において、第１ｐ型コンタクト層および第２ｐ型コンタクト層は、９００℃以上で形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第８の発明は、第４の発明から第７の発明において、第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層および第３ｐ型コンタクト層は、ｐ−ＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第１の発明のようにｐ型コンタクト層を構成すると、コンタクト抵抗の低減と駆動電圧の低減を同時に達成することができる。特に、大電流駆動時の駆動電圧を大きく低減することができる。

実施例１の発光素子１の構造を示した図。実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。実施例２の発光素子２の第１ｐ型コンタクト層２６ａの構造を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光素子１の構造を示した図である。発光素子１の構成を以下に説明する。サファイア基板１０上に、バッファ層（図示しない）を介して、ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１、ｉ−ＧａＮとｎ−ＧａＮからなるｎ型ＥＳＤ層１２、ｉ−ＧａＮとｉ−ＩｎＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｎ型クラッド層１３、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮが交互に繰り返し積層されたＭＱＷ層１４、ｐ−ＩｎＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｐ型クラッド層１５、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６が順に積層されている。この積層された半導体層の一部はｐ型コンタクト層１６表面側からｎ型コンタクト層１１に達する深さまでエッチングされて除去されており、これにより露出したｎ型コンタクト層１１上にはｎ電極１８が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１６上にはｐ電極１７が形成されている。ｐ電極１７は、たとえばｐ型コンタクト層１６上のほぼ全面に形成されたＩＴＯ電極と、ＩＴＯ電極上に配線状に形成されたＮｉ／Ａｕからなる配線電極である。また、ｎ電極１８は、たとえばＴｉ／Ａｌなどである。

ｐ型コンタクト層１６は、ｐ型クラッド層１５側から第１ｐ型コンタクト層１６ａ、第２ｐ型コンタクト層１６ｂ、第３ｐ型コンタクト層１６ｃの順に積層された３層構造である。第１ｐ型コンタクト層１６ａは、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下である。第２ｐ型コンタクト層１６ｂは、Ｍｇ濃度が４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³で、厚さは１０〜６０ｎｍである。第３ｐコンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以上で、厚さは２〜１０ｎｍである。また、第１ｐ型コンタクト層１６ａと第２ｐ型コンタクト層１６ｂの厚さの合計は、２０〜３００ｎｍである。

このようにｐ型コンタクト層１６を構成した理由について、以下に説明する。

まず、ｐ電極１７のコンタクト抵抗を低減するには、ｐ電極１７と接する層のＭｇ濃度を高濃度にし、ある程度以上の厚さとする必要があるので、第３ｐコンタクト層１６ｃのＭｇ濃度を１×１０²⁰／ｃｍ³以上とした。しかし、Ｍｇ濃度をこのような高い濃度とすると、結晶欠陥が多くなり、キャリア移動度が低下してしまう。そこで、第３ｐコンタクト層１６ｃを２〜１０ｎｍと薄くした。さらに、第３ｐコンタクト層１６ｃを薄くした分の厚さを補い、コンタクトがとれる厚さとするために、結晶品質が良好な範囲で最も高いＭｇ濃度（４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³）で厚さが１０〜６０ｎｍの第２ｐ型コンタクト層１６ｂを導入した。

この第２ｐ型コンタクト層１６ｂと第３ｐコンタクト層１６ｃのＭｇ濃度、厚さであれば、ｐ電極１７とのコンタクトを良好にとることができるが、信頼性やＥＳＤ特性などの低下を防止するため、または発光素子１をフリップチップ型とする場合の配光性の制御のためには、第２ｐ型コンタクト層１６ｂと第３ｐコンタクト層１６ｃの厚さだけでは不十分な場合がある。そこで、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下の第１ｐ型コンタクト層１６ａを導入し、この第１ｐ型コンタクト層１６ａの厚さによって、第１ｐ型コンタクト層１６ａと第２ｐ型コンタクト層１６ｂの厚さの合計を２０〜３００ｎｍの範囲で制御することで、ｐ型コンタクト層１６全体の厚さを制御することとした。第１ｐ型コンタクト層１６ａのＭｇ濃度を３×１０¹⁹／ｃｍ³以下とするのは、３×１０¹⁹／ｃｍ³より高濃度とすれば、結晶欠陥が生じやすくなり、かつ、大電流で駆動する場合にキャリアの動きがＭｇのイオン化不純物散乱や欠陥などの散乱によって抑制され、駆動電圧の上昇の原因となるからである。また、イオン化不純物散乱や欠陥などによる散乱によって発生する熱が、駆動電圧のさらなる上昇や信頼性の低下を引き起こすからである。このようにして第１ｐ型コンタクト層１６ａを導入し、第１ｐ型コンタクト層と第２ｐ型コンタクト層の厚さの合計が２０〜３００ｎｍとなる範囲で第１ｐ型コンタクト層１６ａの厚さを調整することで、信頼性やＥＳＤ特性などの低下を防止することができ、配光性を制御することができる。

以上のようにｐコンタクト層１６を構成したことにより、コンタクト抵抗を低減することができるとともに、駆動電圧を低減することができる。特に、大電流駆動時において駆動電圧の低減効果が顕著である。

さらにコンタクト抵抗を低減し、駆動電圧を低減するためには、第１ｐ型コンタクト層１６ａ、第２ｐ型コンタクト層１６ｂ、および第３ｐ型コンタクト層１６ｃの、厚さ、Ｍｇ濃度を次の値とすることが望ましい。第１ｐ型コンタクト層１６ａのＭｇ濃度は１×１０¹⁸〜３×１０¹⁹／ｃｍ³、第２ｐ型コンタクト層１６ｂのＭｇ濃度は４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³、第３ｐ型コンタクト層１６ｃのＭｇ濃度は１×１０²⁰〜１×１０²²／ｃｍ³が望ましい。第２ｐ型コンタクト層１６ｂの厚さは１０〜６０ｎｍ、第３ｐ型コンタクト層１６ａの厚さは１０〜２９０ｎｍ、第１ｐ型コンタクト層１６ａと第２ｐ型コンタクト層１６ｂの厚さの合計は２０〜３００ｎｍが望ましい。

次に、発光素子１の製造方法について図２を参照に説明する。

まず、サファイア基板１０を水素雰囲気中で加熱してクリーニングを行い、サファイア基板１０表面の付着物を除去した。その後、ＭＯＣＶＤ法によって、サファイア基板１０上にバッファ層（図示しない）を介してｎ型コンタクト層１１、ｎ型ＥＳＤ層１２、ｎ型クラッド層１３、ＭＱＷ層１４、ｐ型クラッド層１５、を順に積層させた。キャリアガスには水素と窒素、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｎ型ドーパント源にはＳｉＨ₄（シラン）、ｐ型ドーパント源にはＣｐ₂Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた（図２（ａ）））。また、ｐ型クラッド層１５のＭｇ濃度は１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³とした。

次に、ｐ型クラッド層１５上に、第１ｐ型コンタクト層１６ａ、第２ｐ型コンタクト層１６ｂ、第３ｐコンタクト層１６ｃをＭＯＣＶＤ法によって順に積層させた（図２（ｂ））。成長温度は９００℃以上とし、結晶性が損なわれないようにした。第１ｐ型コンタクト層１６ａの形成時にはｐ型ドーパントガスを供給せず、メモリー効果によってＭｇがドープされるようにした。これにより、第１ｐ型コンタクト層１６ａのＭｇ濃度が１×１０¹⁶〜３×１０¹⁹／ｃｍ³となる。また、第２ｐ型コンタクト層１６ａおよび第３ｐコンタクト層１６ｃの形成時にはｐ型ドーパントガスを供給し、第２ｐ型コンタクト層１６ａのＭｇ濃度は４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³、第３ｐコンタクト層１６ｃのＭｇ濃度は１×１０²⁰／ｃｍ³以上となるようにｐ型ドーパントガスの供給量を調整した。また、第２ｐ型コンタクト層１６ｂの厚さが１０〜６０ｎｍ、第３ｐコンタクト層１６ｃの厚さが２〜１０ｎｍ、第１ｐ型コンタクト層と第２ｐ型コンタクト層の厚さの合計が２０〜３００ｎｍとなるようにした。

なお、第１ｐ型コンタクト層１６ａの形成時にｐ型ドーパントガスを供給してＭｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下となるようにしてもよい。

次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、第３ｐコンタクト層１６ｃ表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１１に達する溝を形成した。そして、第３ｐコンタクト層１６ｃ上の全面にＩＴＯ電極を形成し、ＩＴＯ電極上にＮｉ／Ａｕからなる配線電極を形成してｐ電極１７を形成した。また、ドライエッチングによる溝底面に露出したｎ型コンタクト層１６上にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１８を形成した（図２（ｃ））。以上の製造工程によって発光素子１が製造される。

実施例２の発光素子２は、発光素子１の第１ｐ型コンタクト層１６ａを、第１ｐ型コンタクト層２６ａに替えたものであり、他の構成については発光素子１と同様である。

図３は、第１ｐ型コンタクト層２６ａの構成について示した図である。第１ｐ型コンタクト層２６ａは、高濃度にＭｇがドープされたＧａＮ層２６ａ１と、ＧａＮ層２６ａ１よりも低濃度にＭｇがドープされたＧａＮ層２６ａ２が交互に繰り返し積層された構造である。この第１ｐ型コンタクト層２６ａの平均のＭｇ濃度は３×１０¹⁹／ｃｍ³以下である。また、第１ｐ型コンタクト層２６ａは、ＭＯＣＶＤ法においてｐ型ドーパントガスの供給と、供給の停止を交互に繰り返すことで形成した。このような周期的な構造とすることで、Ｍｇドープによる結晶性の悪化が緩和され、第１ｐ型コンタクト層２６ａの結晶性を高めることができる。その結果、駆動電圧の上昇をより抑制することができる。

なお、実施例１、２では、ｐコンタクト層をｐ−ＧａＮとしたが、本発明はこれに限るものではなく、ｐ型のIII 族窒化物半導体であればよい。たとえば、ｐ−ＩｎＧａＮ、ｐ−ＡｌＧａＮ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮなどであってもよい。また、本発明はｐ型コンタクト層に特徴を有するものであり、他の構造については従来より知られている種々の構造を採用可能である。たとえば、上下に電極を設けて縦方向に導通をとる構造の発光素子や、フリップチップ型、フェイスアップ型などである。

また、実施例２では第１ｐ型コンタクト層を周期的な構造としたが、第２ｐ型コンタクト層や第３ｐ型コンタクト層についても同様の周期的な構造としてもよい。

本発明の発光素子は、大電流での駆動電圧が低減されているため、照明などの用途に好適である。

１０：サファイア基板
１１：ｎ型コンタクト層
１２：ｎ型ＥＳＤ層
１３：ｎ型クラッド層
１４：ＭＱＷ層
１５：ｐ型クラッド層
１６：ｐ型コンタクト層
１６ａ、２６ｂ：第１ｐ型コンタクト層
１６ｂ：第２ｐ型コンタクト層
１６ｃ：第３ｐ型コンタクト層
１７：ｐ電極
１８：ｎ電極

Claims

III 族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層上に、III 族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層を有し、前記ｐ型コンタクト層上にｐ電極が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記ｐ型コンタクト層は、前記ｐ型クラッド層側から順に第１ｐ型コンタクト層、第２ｐ型コンタクト層、第３ｐ型コンタクト層の３層構造であり、
前記第１ｐ型コンタクト層は、Ｍｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下、
前記第２ｐ型コンタクト層は、Ｍｇ濃度が４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³で、厚さが１０〜６０ｎｍ、
前記第３ｐ型コンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以上で、厚さが２〜１０ｎｍであり、
前記第１ｐ型コンタクト層と前記第２ｐ型コンタクト層の厚さの合計が２０〜３００ｎｍである、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
前記第１ｐコンタクト層は、Ｍｇ濃度が高い層とＭｇ濃度が低い層が交互に繰り返し積層された構造である、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記ｐ型コンタクト層は、ｐ−ＧａＮであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
III 族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層上に、III 族窒化物半導体からなりＭｇ濃度が３×１０¹⁹／ｃｍ³以下の第１ｐ型コンタクト層を形成する工程と、
前記第１ｐ型コンタクト層上に、III 族窒化物半導体からなりＭｇ濃度が４×１０¹⁹〜９×１０¹⁹／ｃｍ³で、厚さが１０〜６０ｎｍの第２ｐ型コンタクト層を形成する工程と、
前記第２ｐ型コンタクト層上に、III 族窒化物半導体からなりＭｇ濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以上で、厚さが２〜１０ｎｍの第３ｐコンタクト層を形成する工程と、
前記第３ｐコンタクト層上に、ｐ電極を形成する工程と、
を備え、
前記第１ｐ型コンタクト層と前記第２ｐ型コンタクト層は、その厚さの合計が２０〜３００ｎｍとなるように形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記第１ｐ型コンタクト層は、ドーパントガスを供給せずに形成する、ことを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記第１ｐ型コンタクト層は、ドーパントガスの供給とその供給の停止を交互に繰り返して形成する、ことを特徴とする請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記第１ｐ型コンタクト層および前記第２ｐ型コンタクト層は、９００℃以上で形成する、ことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記第１ｐ型コンタクト層、前記第２ｐ型コンタクト層および前記第３ｐ型コンタクト層は、ｐ−ＧａＮであることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。