JP2015162631A

JP2015162631A - 発光素子

Info

Publication number: JP2015162631A
Application number: JP2014038152A
Authority: JP
Inventors: 哲二松尾; Tetsuji Matsuo
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-07

Abstract

【課題】ｐ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層（ウィンドウ層）として用いる発光素子において、ｐ型窒化物半導体層中のＭｇを活性化する熱処理を効率的に行う構造を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に配置された第１のｎ型窒化物半導体層１３と、第１のｎ型窒化物半導体層１３上に配置された活性層と、活性層上に配置されたｐ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層の上面に配置され、ｐ型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第２のｎ型窒化物半導体層１６と、ｐ型窒化物半導体層の上面のいずれの領域においても、少なくとも第２のｎ型窒化物半導体層１６が形成するメサ端面までの距離が１００μｍ以下である。
【選択図】図４

Description

本発明は、主として、窒化物半導体材料を有する発光素子に関する。

近年、半導体発光素子（ＬＥＤ）用の半導体材料として、窒化物半導体材料が多く用いられている。窒化物半導体材料は、ＳｉやＳｉＣ、サファイア、酸化物、I I I-Ｖ族化合物を基板とし、その上にＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって形成される。
しかし、ｐ型窒化物半導体材料は移動度が小さいため、横方向への電流拡散が小さい。このため、半導体発光素子に電圧を印加しても、発光領域は電極直下に限定され、半導体発光素子の表面全域に電流が拡散しにくい。したがって、このような半導体発光素子に使用される電極には、ｐ型窒化物半導体材料とオーミック接触が可能で、かつ半導体発光素子が発する光に対して透明な材料として、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）やＺｎＯ（Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ）等で構成される（特許文献１参照）。

一方、図１に示したように、次世代のＬＥＤ構造として、ｐ型窒化物半導体層の上にｎ型窒化物半導体をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層（ウィンドウ層）として用いるＬＥＤが開発されている。

特開２０１１−２４３６１５号公報

p型窒化物半導体層は、エピタキシャル成膜の直後は残留水素によりＭｇが不活性（Ｈａｌｌを供給しない）の状態であるため、通常、水素を含まない雰囲気中のアニーリングによって、Ｍｇを活性化する必要がある。このとき、p型窒化物半導体層の膜厚は通常２００ｎｍ以下のため、p型窒化物半導体層中の水素は表面から外部へ脱離し除去される。
しかし、図１のような従来例に係る構造においては、p型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成していると、p型窒化物半導体層中の水素がｎ型窒化物半導体層を通って外部に出ることは非常に難しい。この現象は十分理解されていないが、p型窒化物半導体層中の水素はｎ型窒化物半導体層を通って出てくるのではなく、メサ端面（図１におけるp型窒化物半導体層１５の側面）から主に外部へ脱離し除去される。

このとき、p型窒化物半導体層中の水素が脱離するまでのp型窒化物半導体層内における水素の移動（拡散）距離は、ウィンドウ層としてｎ型窒化物半導体層を用いないＬＥＤに比べて長くなる。すなわち、ｐ型窒化物半導体層の上にｎ型窒化物半導体層を形成しないＬＥＤにおいては、アニーリングの際、ｐ型窒化物半導体層の上面は外部に露出されているため、その上面全体からも残留水素が脱離されるが、ｐ型窒化物半導体層の上面にｎ型窒化物半導体層を形成すると、上述した通り、残留水素はp型窒化物半導体層のメサ端面からしか脱離しないからである。

そのため、図１の従来例に係る構造においては、アニーリングの際は長時間の熱処理が必要になる。しかし、熱処理温度は水素が移動するために400℃程度以上が必要であり、その温度で長時間熱処理を実施するとＩｎＧａＮを含む超格子で形成された発光層の構造に劣化が生じてしまう。具体的には発光効率が低下したり、発光波長の電流による変化が大きくなったり、信頼性（通電による劣化特性）が悪化する。

そこで本発明は、ｐ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層をトンネルジャンクションで接合（トンネル接合）して電流拡散層（ウィンドウ層）として用いるＬＥＤにおいて、ｐ型窒化物半導体層中のＭｇを活性化する熱処理を効率的に行う構造を提案する。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第１のｎ型窒化物半導体層と、前記第１のｎ型窒化物半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層の上面に配置され、前記ｐ型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第２のｎ型窒化物半導体層と、前記第２のｎ型窒化物半導体層上に配置され、前記ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｐ側電極と、前記第１のｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｎ側電極と、を備え、前記ｐ型窒化物半導体層の前記上面のいずれの領域においても、前記第２のｎ型窒化物半導体層の上面から基板方向に少なくとも前記第２のｎ型窒化物半導体層を貫く深さに形成されたメサ端面までの距離が１００μｍ以下であることを特徴とする発光素子が提供される。

本発明によれば、ｐ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層（ウィンドウ層）として用いるＬＥＤにおいて、発光効率が向上し、発光波長の電流による変化が少なく、信頼性が高いＬＥＤを提供できる。

従来例に係る発光素子の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る発光素子の平面図である。図２のＡ−Ａ線における断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る発光素子の平面図である。図４のＢ−Ｂ線における断面図である。本発明の第１の実施形態のその他の変形例に係る発光素子の平面図である。本発明の第２の実施形態に係る発光素子の断面図である

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各領域の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態による発光素子１の平面図である。発光素子１を上面から見ると、横長の長方形で構成されている。また、図３は、図２のＡ−Ａ線における断面構造を示している。本実施形態による発光素子１は、シリコンカーバイド、あるいはシリコン等によって形成された基板１１上にバッファ層１２、第１のｎ型窒化物半導体層１３、活性層１４、ｐ型窒化物半導体層１５、第２のｎ型窒化物半導体層１６をこの順に積層し、これをダイシング、またはへき開することにより形成されている。活性層１４は、例えば一般的な多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）構造を有している。ＩｎＧａＮやＧａＮによって形成され、発光素子１を高効率とするため、数ｎｍ〜数十ｎｍの薄膜を多層積層することによって形成されている。高効率とするためには、優れた光学的結晶性および結晶性を得る必要があり、活性層１４の製造には、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）が用いられる。

ｐ型窒化物半導体層１５の上面には、第２のｎ型窒化物半導体層１６が配置されるが、ｐ型窒化物半導体層１５と第２のｎ型窒化物半導体層１６は、トンネルジャンクションが形成されるよう構成される。例えば、ｐ型窒化物半導体層１５としては、１７０ｎｍのｐ型ＧａＮ層の上に、５ｎｍのｐ型ＩｎＧａＮ層を形成する。ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＩｎＧａＮ層のドーピング密度は１Ｅ＋１９ｃｍ−２以上が好ましい。そして、p型ＩｎＧａＮ層上には、５ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ層の上に１０００ｎｍのｎ型ＧａＮ層を形成した第２のｎ型窒化物半導体層１６が配置される。ｎ型ＩｎＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層のドーピング密度は１Ｅ＋１９ｃｍ−２以上が好ましい。

第２のｎ型窒化物半導体層１６上には前記ｐ型窒化物半導体層１５と電気的に接続されるｐ側電極１７が形成される。また、ｎ側電極１８は、第１のｎ型窒化物半導体層１３の上面の一部を露出させ、当該露出面上に電気的に接続されるように形成されている。

図２に示すＬは、Ａ−Ａ線（発光素子１の短手方向における中心線）から第２のｎ型窒化物半導体層１６の周縁部が形成するメサ端面２１までの距離を示している。ここではＬは１００μｍ以下である。このように構成することで、平面視におけるｐ型窒化物半導体層１５上面のいずれの領域においても、第２のｎ型窒化物半導体層１６の周縁部が形成するメサ端面２１まで最短距離で結んだ場合、１００μｍ以下となる。ここで重要なのは、平面視におけるｐ型窒化物半導体層１５上面のいずれかの領域から第２のｎ型窒化物半導体層１６の周縁部が形成するメサ端面２１まで最短距離で結んだ場合に１００μｍ以下となる通路が1つ以上あればよい。このため、図２において発光素子１は横長の長方形であるが、長手方向の長さは制限されない。

上述した通り、ｐ型窒化物半導体層の上にｎ型窒化物半導体をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層（ウィンドウ層）として用いる発光素子では、ｐ型窒化物半導体層内のＭｇを活性化させるために水素を脱離する必要がある。しかし、水素の脱離は主にメサ端面から行われるため、水素はｐ型窒化物半導体層の積層面内方向(半導体層の成長方向と垂直面内)に拡散移動することになる。ｐ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体を形成しない従来より見られる発光素子は、ｐ型窒化物半導体層上面において、水素の脱離を遮るｎ型窒化物半導体が存在しないため、ｐ型窒化物半導体層上面からも水素脱離することができる。そのため、ｐ型窒化物半導体層の上にｎ型窒化物半導体層をトンネルジャンクションで接合して電流拡散層（ウィンドウ層）として用いる発光素子は、ｐ型窒化物半導体層上面からも水素脱離する従来の発光素子よりも拡散移動距離が長くなるため、活性化に要する熱処理時間が長時間になる。

ここでｐ型窒化物半導体層１５のいずれの領域においても、メサ端面２１までの距離が１００ｕｍ以下となるように形成することで、ｐ型窒化物半導体層１５内の残留水素の拡散移動距離を１００ｕｍ以下とすることができるので、アニーリングの際の熱処理時間を３０分以内にすることができる。これにより、活性層１４の品質を低下させることが無く、熱処理を行うことができることを見出した。このとき、量子井戸構造により形成される活性層の場合、薄い積層構造では熱処理によるInやGaの拡散により発光機能が低下するため、井戸層の厚さは２ｎｍ以上であることが好ましい。

図４及び図５は、第1の実施形態に係る発光素子の変形例である。図４は、第１の実施形態の変形例に係る発光素子の平面図である。また図５は、図４のＢ−Ｂ線における断面図である。すなわち、発光素子１が大きい場合は、その中心領域から第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁のメサ端面（第1のメサ端面）２１までの距離が長くなる。その場合は、第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁よりも内側の領域に孔２０を形成する。孔２０は、第２のｎ型窒化物半導体層１６の上面からｐ型窒化物半導体層１５及び活性層１４を貫通し、第１のｎ型窒化物半導体層１３の上面が露出する深さに形成される。このように孔２０を形成することで、第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁よりも内側の領域に、ｐ型窒化物半導体層１５よりも深いメサ端面（第2のメサ端面）２２が形成され、そこからアニーリングにより残留水素が効果的に脱離される。そのため、活性層１４の品質を低下させることがなく、熱処理を行うことができる。そのため、孔２０は、ｐ型窒化物半導体層１５を貫通する深さに形成されることが望ましい。

このように、孔２０を形成することで、第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁よりも内側の領域に孔２０によるメサ端面（第2のメサ端面）２２が形成される。そのため、図２と同様に、平面視におけるｐ型窒化物半導体層１５上面のいずれの領域においても、第1のメサ端面２１または第2のメサ端面２２までの最短距離はＬ（１００μｍ）以下となる。

また、図６に示すように、第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁よりも内側の領域に孔２０は複数形成されていてもよい。孔２０は円形に限られるものではないが、孔２０が発光素子１の上面から見て略円形であり、それぞれの略円形の孔２０間の距離（すなわち、複数の第２のメサ端面２２の互いに近接した距離）及び、孔２０と第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁のメサ端面２１までの距離（すなわち、第１のメサ端面に最も近い側の第２のメサ端面から第１のメサ端面までの距離）が１５０ｕｍ以下、さらに好ましくは５０ｕｍ以下である構造の場合に、最も発光効率の高いＬＥＤが得られた。孔２０を図６に示すような略円形とした場合は、図４に示した発光装置１に形成された孔２０よりも、１つあたりの孔２０が形成するメサ端面の面積が小さくなる。そのため、ｐ型窒化物半導体層１５からの残留水素を脱離しやすくするためには、図６に示す孔２０間の距離及び、孔２０と第２のｎ型窒化物半導体層１６周縁のメサ端面２１までの距離は、図４に示した距離（２Ｌ）よりも短くすることが好ましい。また、図４に示したようなｐ側電極とｎ側電極間に大きな孔２０を形成するよりも、図６に示したように、比較的小さい孔２０を一定間隔を設けるように複数形成するほうが、電流拡散効果と発光素子１の光取り出し効率が向上する。これは、ｐ側電極とｎ側電極間に大きな孔２０を形成すると、当該孔２０により電流通路が遮られ、電流は当該孔を避けるように迂回が必要になる。しかし、図６に示したように、比較的小さい孔２０を、一定間隔を設けて複数形成することで、ｐ側電極とｎ側電極間に流れる電流通路は複数の孔２０間をすり抜けて形成されるため、発光素子1の上面から見て面内均一に電流を拡散させることが可能となるからである。さらに、孔２０からは活性層１４からの光が取り出されるため、図６に示したように、比較的小さい孔２０を、一定間隔を設けるように複数形成するほうが、発光素子１の光取り出し効率が向上することになる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態による発光素子１の断面図である。第１の実施形態と異なるのは、孔２０の深さである。図５において説明したように、第１の実施形態における発光素子１に形成される孔２０は、第１のｎ型窒化物半導体層１３の上面が露出する深さに形成されるが、第２の実施形態による発光素子１に形成される孔２０は、ｐ型窒化物半導体層１５の上面が露出する深さに形成する。このような構成により、孔２０を通じて外部に露出したｐ型窒化物半導体層１５の上面からアニーリングによって残留水素を脱離させることが可能となる。なお、本発明のその他の構造は、第１の実施形態の変形例と同じであり、例えば平面構造としては、図４及び図６の構造が採用される。第２の実施形態による発光素子１も第１の実施形態の変形例に係る発光素子と同様の効果が得られる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１・・・発光素子
１１・・・基板
１２・・・バッファ層
１３・・・第１のｎ型窒化物半導体層
１４・・・活性層
１５・・・ｐ型窒化物半導体層
１６・・・第２のｎ型窒化物半導体層（ウィンドウ層）
１７・・・ｐ側電極
１８・・・ｎ側電極
２０・・・孔
２１・・・メサ端面（第１のメサ端面）
２２・・・メサ端面（第２のメサ端面）

Claims

基板と、
前記基板上に配置された第１のｎ型窒化物半導体層と、
前記第１のｎ型窒化物半導体層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されたｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層の上面に配置され、前記ｐ型窒化物半導体層との接合がトンネルジャンクションである第２のｎ型窒化物半導体層と、
前記第２のｎ型窒化物半導体層上に配置され、前記ｐ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｐ側電極と、
前記第１のｎ型窒化物半導体層と電気的に接続されるｎ側電極と、
を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層の前記上面のいずれの領域においても、
前記第２のｎ型窒化物半導体層の上面から基板方向に少なくとも前記第２のｎ型窒化物半導体層を貫く深さに形成されたメサ端面までの距離が１００μｍ以下であることを特徴とする発光素子。
前記メサ端面は、
前記第２のｎ型窒化物半導体層の上面における周縁部において、
前記第２のｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層の側面部によって形成される第１のメサ端面と、
前記第２のｎ型窒化物半導体層の上面から基板方向に少なくとも前記第２のｎ型窒化物半導体層を貫く深さに形成された孔を少なくとも１つ有し、
前記孔の内側面に形成される第２のメサ端面と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第２のメサ端面が複数形成され、前記第２のメサ端面の互いに近接した距離が１５０μｍ以下であり、前記第１のメサ端面に最も近い側の前記第２のメサ端面から前記第１のメサ端面までの距離が１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
前記孔は、前記ｐ型窒化物半導体層上面が露出する深さに形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子。
前記孔は、前記第１のｎ型窒化物半導体層上面が露出する深さに形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子。
前記孔が略円形に形成されたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の発光素子。
前記活性層を形成する井戸層の膜厚が２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光素子。