JP2002164575A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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Abstract
ティーなどに用いることができる、スポットサイズが小
さくかつ単一モードの発光が得られる発光ダイオードを
提供する。 【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体層からなる
活性層の上にp型窒化ガリウム系化合物半導体層からな
るp層を備えた発光ダイオードにおいて、p層の上面の
一部を開口させる開口部を有する絶縁膜をp層を覆うよ
うに形成し、かつ開口部を介してp層とオーミック接触
する透明電極を形成した。
Description
nxAlyGa1-x-yN,0≦x,0≦y,x+y≦1)
よりなる発光ダイオード、特に微小光源として利用可能
な窒化物半導体発光素子に関する。
物半導体発光ダイオード(発光素子)が大型ディスプレ
イなどの光源として実用化されている。しかしながら、
これらの大型ディスプレイ用に実用化された発光ダイオ
ードは、例えば、バーチャル・リアリティーなどを対象
とした微小光源として用いる場合、光の広がりが大きく
特性的に十分満足できるものではない。
放射する端面発光型の発光ダイオードが検討されてい
る。この端面発光型の発光ダイオードは、通常、発光層
をワイドバンドギャップのp型及びn型半導体層で挟ん
だ半導体レーザ素子と同様の基本構造を有しており、窒
化物半導体端面発光型発光ダイオードでは、AlGaN
/GaN/InGaN分離閉じ込め型へテロ構造(SC
H)が用いられている。さらにこの端面発光型の発光ダ
イオードでは、発光層がストライプ状に形成され、その
ストライプ形状の端面に露出された発光層から光を放出
させる構造になっており、これによりスポットサイズの
小さい発光を可能にしている。
端面発光型発光ダイオードは、スポットサイズの小さい
光は得られるものの、発光層の端面だけではなく、発光
層より基板側に積層されたn型半導体層の端面からも光
が放出されるために、多モードの発光となり、ニァフィ
ールドが十分良好な単一スポットが得られないという問
題点があった。このために、従来の端面発光型発光ダイ
オードの発光は単一モードではないために、単一モード
の光を必要とする光情報処理分野などの微小光源として
は用いることができなかった。
ーやバーチャルリアリティーなどに用いることができ
る、スポットサイズが小さくかつ単一モードの発光が得
られる発光ダイオードを提供することを目的とする。
めに、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、窒化ガリ
ウム系化合物半導体層からなる活性層の上にp型窒化ガ
リウム系化合物半導体層からなるp層を備えた発光ダイ
オードにおいて、上記p層の上面の一部を開口させる開
口部を有する絶縁膜が、上記p層を覆うように形成さ
れ、かつ上記開口部を介して上記p層とオーミック接触
する透明電極が形成されたことを特徴とする。このよう
に構成された本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上
記透明電極を介して上記開口部直下に位置する活性層に
集中して電流を中入することができ、これにより、上記
開口部直下の活性層のみで発光させることができ、かつ
その発光した光を上記開口部を介して、該開口部の形状
に対応したスポット径の光を出射することができる。ま
た、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記開口部
直下の活性層で発光した光が上記p層を厚さ方向に伝播
して外部に出力されるので、端面発光素子に比較してp
層内を伝播する距離を極めて短くでき、単一モード発光
が可能である。
では、上記絶縁膜の上にさらに、光を遮断する不透光膜
が形成されることが好ましい。
では、上記p層の一部に凸部が形成され、かつ上記開口
部が上記凸部の上面を開口させるように形成されること
が好ましく、これにより、上記開口部の直下の活性層に
より集中して電流を注入することができかつ発光した光
をより集光させて出射することができるので、発光出力
をより高くすることができる。
では、上記絶縁膜の上に又は上記不透光膜上に、上記透
明電極に接続されたpパッド電極が形成されていてもよ
い。
子は、上記活性層及び該活性層上に形成されたp層を基
板上に形成されたn型窒化ガリウム系化合物半導体層か
らなるn層の一部の上に設けるようにし、その一部を除
くn層の上に該n層にオーミック接触するn電極を形成
するようにして構成でき、この場合、均一な発光をさせ
るように、上記n電極は上記透明電極を周りを囲むよう
に形成することが好ましい。
光素子では、上記基板の下面に反射膜が形成されている
ことが好ましく、このようにするとより効果的に発光し
た光を出力することができる。
に係る実施の形態の微小光源用の発光ダイオードについ
て説明する。図1は本実施の形態の発光ダイオードの平
面図であり、図2は図1のA−A’線についての断面図
である。本実施の形態の発光ダイオードは、基板1上に
バッファ層2を介して形成された1又は2以上の窒化ガ
リウム系化合物半導体層からなるn層101と、そのn
層101の上に形成された活性層7と1又は2以上の窒
化ガリウム系化合物半導体層からなるp層102とを有
する発光ダイオードであって、以下のように構成された
ことを特徴としている。
では、p層102の上面の一部を開口させる開口部10
aを有する絶縁膜10を、上記p層102を実質的に覆
うように形成する。そして、絶縁膜10に形成された開
口部10aを介してp層102とオーミック接触する透
明電極21を形成する。このように構成することによ
り、本実施の形態の発光素子では、開口部10aを介し
て透明電極21から開口部10aの直下に位置する活性
層7に集中して電流を注入することができ、電流が注入
された開口部10aの直下の活性層及びその近傍のみで
発光させることができる。また、本実施の形態の発光ダ
イオードでは、開口部10aを介してp層102とオー
ミック接触するp側のオーミック電極として透明電極2
1を用いているので、開口部10aの直下の活性層及び
その近傍で発光した光を透明電極21を介して出射する
ことができる。
径は、要求されるスポット径に対応して任意に設定する
ことができるが、良好な単一モードの光を得るために、
好ましくは0.5μm以上、20μm以下に設定する。
は、開口部10aを有する絶縁膜10により活性層7の
一部に制限して電流を注入し、かつ開口部10aの直下
の活性層及びその近傍で発光した光を開口部10aを介
して出射しているので、その開口部10aの形状に応じ
たスポットサイズの光を出射することができる。また、
従来の端面発光型の発光ダイオードでは、例えば、活性
層の端面から離れた位置で発光された光は活性層を面内
に広がるように導波されて出射されるので、単一モード
の光を得ることが困難であるが、本実施の形態の発光素
子では、活性層7で発光した光をp層102の厚さ方向
に出射しているので、活性層7で発光された光はp層内
を実質的に導波することなく外部に出射され、単一モー
ドの光を得ることができる。
は、より好ましい形態として、図2に示すようにp層1
02において円柱形状の凸部30を形成し、その凸部3
0の上面を開口するように開口部10aを形成して、そ
の凸部30の上面にオーミック接触するように透明電極
21を形成している。これにより、凸部30を形成して
いない場合に比較して、開口部10aの直下の活性層7
の一部により集中して電流を注入することができかつ発
光した光をより集光させて出射することができるので、
発光出力をより高くすることができる。尚、本実施の形
態では、p層102はp側多層膜層8とp型コンタクト
層9とによって構成し、凸部30は、その周りのp層1
02をp側多層膜層8の途中までエッチングすることに
より形成している。
は、より好ましい形態として、絶縁膜10の上にさら
に、光を遮断する不透光膜11を形成して、発光した光
が開口部10a以外の部分から漏れるのを防止してい
る。また、本実施の形態の発光ダイオードでは、さらに
好ましい形態として、基板1の下面に反射膜12を形成
して、発光した光をより効率的に開口部10aを介して
出力できるように構成している。
細な構成及びその製造方法について説明する。本製造方
法では、例えばサファイアからなる基板1のC面上に、
バッファ層2を成長させ、そのバッファ層2の上にアン
ドープGaN層3を成長させる。このバッファ層2は窒
化ガリウム系化合物半導体とは異なる材料からなる基板
1と窒化ガリウム系化合物半導体との間の緩衝層であ
り、好ましくは、良好な緩衝効果が得られる比較的低温
で成長されたGaNを用いて形成する。また、アンドー
プGaN層3は、その上に成長させるn型又はp型の窒
化ガリウム系化合物半導体層を結晶性良く成長させるた
めに形成するものであり、通常、バッファ層2より高い
温度で成長させる。
ンタクト層4を成長させる。このn型コンタクト層4
は、n電極を形成するための層であり、n電極と良好な
オーミック接触を得るために、好ましくは、Siドープ
のGaNで形成する。そして、n型コンタクト層4の上
にn側のクラッド層を成長させる。本実施の形態の発光
ダイオードでは、好ましい形態として、静電耐圧を向上
させることができる、アンドープGaN層、Siをドー
プしたGaN層及びアンドープGaN層の3層からなる
n側第1多層膜層5を用いてn側のクラッド層を構成し
ている。
しい形態として、後で成長させる活性層を結晶性よく成
長させるために、アンドープGaN層とアンドープIn
GaN層からなる超格子構造の多層膜であるn側第2多
層膜層6を成長させる。そして、n側第2多層膜層6の
上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層7を
成長させる。活性層7は、InGaN層又はInGaN
層を含んで構成することが好ましく、より好ましくは、
InGaN井戸層を含む単一又は多重量子井戸構造とす
ることが好ましい。尚、InGaN井戸層を含む単一又
は多重量子井戸構造とする場合、その障壁層は、井戸層
よりInの比率の少ないInGaN又はGaNで構成す
ることができる。
成長させる。本実施の形態の発光ダイオードでは、好ま
しい形態として、p側のクラッド層は、Mgをドープし
たp型AlGaN層とMgをドープしたInGaN層か
らなる超格子構造のp側多層膜層8により構成してい
る。続いて、Mgをドープしたp型GaNよりなるp型
コンタクト層8を成長させる。
発光部分を含む一部分(以下、pn積層部という。)を
残してn側コンタクト層4が露出するまで(n側コンタ
クト層4の途中まで)エッチングをする。ここで、本実
施の形態の発光素子において、図1に示すように、pn
積層部は円柱形状の発光部とその発光部が1つの隅に連
結されたpパッド電極形成部とからなる。尚、発光部は
円柱形状に限られるものではなく、例えば、方形柱形状
などでもよいが、発光部が形成される位置は図1に示す
ように基板の略中央部であることが好ましい。
成されるように、発光部において凸部30以外の部分を
p側多層膜層8の途中までエッチングする。次に、凸部
30の上面を除いてpn積層部全体を覆うように絶縁膜
10を形成し、その絶縁膜10の上に不透光膜11を形
成する。ここで、絶縁膜10は、電気絶縁材料であれば
用いることができ、例えば、ZrO2、SiO2、Si
N、Al2O3、AlN、Ta2O5、Nb2O5、Hf
O2、TiO2などの種々の材料を用いて形成することが
でき、その膜厚は好ましくは50〜5000Åの範囲に設定す
る。
であれば使用できるが、好ましくは、Rh、RhO、N
i、Cr、RuO、Cuなどの金属やそれらの金属酸化
物を用いて構成し、その膜厚は、好ましくは、50〜1000
Åの範囲、より好ましく200〜1000Åの範囲に設定す
る。
る透明電極21を形成する。透明電極21は、p型窒化
物半導体層とオーミック接触可能な材料であるAu、P
t、Ni、Al、W、In、Cu、Ag、Ir、Pd、
Rh、Ti、Co、Sn、Pb等の金属又はそれらの2
種以上の合金又はそれらの金属酸化物を単一層もしくは
多層として構成することができ、これらの膜厚を0.0
01〜1μmに調整することで透明電極とする。尚、透
明電極21として、好ましくは、次の(1)〜(5)よ
うな材料が挙げられる。 (1)Ni(80Å)/Au(40〜160Å) (2)Pd(40Å)/Au(40Å) (3)Pd(30Å)/Pt(30Å)/Au(20Å) (4)Ni(20〜80Å)/ITO(100〜2000Å) (5)Ni(20〜80Å)/Au(10〜50Å)/ITO(100〜
2000Å)
クト層4とオーミック接触するn電極23をpn積層部
から離れて形成する。ここで、n電極23は、少なくと
も発光部を取り囲むように形成することが好ましく、こ
れにより、透明電極21とn電極間における抵抗を低く
でき、発光効率を高くできる。また、n電極23を発光
部の周りに形成することにより、活性層の発光部分にほ
ぼ均一に電流を注入することができ、均一な発光が可能
になる。また、n電極23としては、n型コンタクト層
4とオーミック接触が可能な電極材料であれば特に限定
されないが、例えば、Ti、Al、Ni、Au、W、V
等から選ばれる1種以上の金属材料を選択することがで
き、好ましくは、Ti/Al、W/Al/W/Au、W
/Al/W/Pt/Auのような積層構造とする。ま
た、n電極23の膜厚は、好ましくは、2000Å〜5
μmの範囲、より好ましくは5000Å〜1.5μmの
範囲に設定する。
に接続されたpパッド電極22を不透光膜11の上に形
成し、n電極23上の一部にnパッド電極24を形成す
る。このp及びnパッド電極としては、ワイヤー及びp
(n)電極と接着性が良いものであれば特に限定されない
が、好ましくは、次の材料から選択された第1層//第
3層の2層構造又は、第1層/第2層/第3層の3層の
積層構造とする。 (1)第1層目:Ni、Cu、Rh、Ruから選ばれる
少なくとも一種、 (2)第2層目:Ti、W、Pt、Ta、Moから選ば
れる少なくとも一種、 (3)第3層目:Au。 より好ましくは、Ni/Ti/Au、Ni/Au、Cu
/Pt/Au、Ni/Pt/Auとし、その膜厚は、1
000Å〜3μmに設定する。
素子は、開口部10aを有する絶縁膜10により活性層
7の一部に制限して電流を注入することができ、その電
流が注入された開口部10aの直下の活性層及びその近
傍のみで発光させることができるので、効率良く発光さ
せることができる。また、その制限された領域で発光さ
れた光を開口部10aを介して出射しているので、その
開口部10aの形状に応じたスポットサイズの単一モー
ドの光を出射することができる。
て説明する。図3は本発明に係る変形例の発光ダイオー
ドの構成を示す断面図である。この変形例の発光ダイオ
ードは、実施の形態の発光ダイオードにおいて、p層1
02に凸部30を形成することなく構成した以外は、実
施の形態の発光ダイオードと同様に構成される。以上の
ように構成された変形例の発光ダイオードにおいても、
開口部10aを有する絶縁膜10により活性層7の一部
に制限して電流を注入することができるので、効率良く
発光させることができ、また、その制限された領域で発
光された光を開口部10aを介して出射しているので、
その開口部10aの形状に応じたスポットサイズの単一
モードの光を出射することができる。
る。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではな
い。 実施例1. (基板1)サファイア(C面)よりなる基板をMOVP
Eの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の
温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを
行う。
0℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモ
ニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、基板1
上にGaNよりなるバッファ層2を約200オングスト
ロームの膜厚で成長させる。 (アンドープGaN層3)バッファ層2成長後、TMG
のみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。105
0℃になったら、同じく原料ガスにTMG、アンモニア
ガスを用い、アンドープGaN層3を1μmの膜厚で成
長させる。
で、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガス、不純物
ガスにシランガスを用い、Siを4.5×1018/cm3ド
ープしたGaNよりなるn型コンタクト層を3μmの膜
厚で成長させる。 (n側第1多層膜層5)次にシランガスのみを止め、1
050℃で、TMG、アンモニアガスを用い、アンドー
プGaN層を3000オングストロームの膜厚で成長さ
せ、続いて同温度にてシランガスを追加しSiを4.5
×1018/cm3ドープしたGaN層を300オングスト
ロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを
止め、同温度にてアンドープGaN層を50オングスト
ロームの膜厚で成長させ、3層からなる総膜厚3350
オングストロームのn側第1多層膜層5を成長させる。
で、アンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層を
40オングストローム成長させ、次に温度を800℃に
して、TMG、TMI、アンモニアを用い、アンドープ
InGaNよりなる第1の窒化物半導体層を20オング
ストローム成長させる。これらの操作を繰り返し、第2
の窒化物半導体層+第1の窒化物半導体層の順で交互に
10層ずつ積層させ、最後にGaNよりなる第2の窒化
物半導体層を40オングストローム成長させて形成され
る超格子構造の多層膜よりなるn側第2多層膜層6を6
40オングストロームの膜厚で成長させる。
なる障壁層を250オングストロームの膜厚で成長さ
せ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、ア
ンモニアを用いアンドープInGaNよりなる井戸層を
30オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁
+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を6
層、井戸層5層交互に積層して、総膜厚1650オング
ストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層7を成長
させる。
でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペ
ンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020
/cm3ドープしたp型AlGaNよりなる第3の窒化物
半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続
いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニ
ア、Cp2Mgを用いMgを1×1020/cm3ドープした
InGaNよりなる第4の窒化物半導体層を25オング
ストロームの膜厚で成長させる。これらの操作を繰り返
し、第3の窒化物半導体層+第4の窒化物半導体層の順
で交互に5層ずつ積層し、最後に第3の窒化物半導体層
を40オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造
の多層膜よりなるp型多層膜クラッド層8を365オン
グストロームの膜厚で成長させる。
で、TMG、アンモニア、Cp2Mgを用い、Mgを1
×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp型コン
タクト層8を700オングストロームの膜厚で成長させ
る。反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲
気中、ウェーハを反応容器内において、700℃でアニ
ーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。
しn側コンタクト層4が露出するまでエッチングをし、
続いて、円柱形状の凸部30が形成するために、pn積
層部において凸部30以外の部分をp側多層膜層8の途
中までエッチングする。ここで、本実施例1では、円柱
形状の凸部30の径は、4μmに設定した。 (絶縁膜10、不透光膜11)次に、凸部30の上面に
開口部10aを有し、凸部30の上面を除いてpn積層
部全体を覆うようにZrO2からなる絶縁膜10を10
00Åの厚さに形成し、その絶縁膜10の上にRhから
なる不透光膜11を1000Åの厚さに形成する。
なり、凸部30の上面とオーミック接触する透明電極2
1を形成する。続いて、n型コンタクト層4上にW/A
l/W/Pt/Auの4層構造からなりn型コンタクト
層4とオーミック接触するn電極23を形成する。
に接続されたpパッド電極22を不透光膜11の上に形
成し、n電極23上の一部にnパッド電極24を形成す
る。ここで、pパッド電極及びnパッド電極は、Ni(1
000Å)/Ti(1000Å)/Au(8000Å)の3層構造とし
た。そして、最後に基板の下面にAlからなる反射膜を
スパッタリング法により3000Åの厚さに形成する。
光ダイオードは、0.5mAの順方向電流下で、スポッ
ト径4μm、発光出力200μWの単一モード発光が得
られた。
イオードは、実施例1の発光ダイオードにおいて、p層
102に凸部を設けていない点が実施例1とは異なり、
それ以外の点は実施例1と同様に構成される。尚、実施
例2の発光ダイオードにおいて、絶縁膜10に形成され
た開口部10aは、実施例1と同様に直径4μmに形成
される。すなわち、実施例2の発光ダイオードは、図3
に示すように構成されている。以上のように構成された
実施例2の発光ダイオードは、0.5mAの順方向電流
下で、スポット径4μm、発光出力150μWの単一モ
ード発光が得られた。
(開口部10a)の直径を変化させた場合において、p
電極とn電極間に3Vの電圧を印加した時の電流値と発
光出力を、実施例3〜5として表1に示す。 表1 尚、表1において、比較例として示す発光ダイオード
は、絶縁膜10を形成することなく、p型コンタクト層
のほぼ全面に透明電極を形成して評価したものである。
表1から明らかなように、単位面積あたりの発光出力は
ほぼ同じになり、光出射部の面積と発光出力はほぼ比例
する。
に説明したように、本発明に係る発光ダイオードは、開
口部10aを有する絶縁膜10により活性層の一部に制
限して電流を注入して、注入された活性層の一部で発光
させ、その発光した光を開口部に形成された透明電極を
介して出力している。これにより、開口部の径(形状)
に対応したスポット径の単一モードの光を出力すること
ができる。従って、開口部の径(形状)を要求されるス
ポット径に対応させて設定することにより、所望のスポ
ット径の単一モードの光を出力することができる。
係る窒化物半導体発光素子では、上記p層の上面の一部
を開口させる開口部を有する絶縁膜が、上記p層を覆う
ように形成され、かつ上記開口部を介して上記p層とオ
ーミック接触する透明電極が形成されているので、上記
透明電極を介して上記開口部直下に位置する活性層に集
中して電流を中入することができ、上記開口部直下の活
性層のみで発光させることができ、かつその発光した光
を上記開口部を介して、該開口部の形状に対応したスポ
ット径の単一モードの光を出射することができる。従っ
て、本発明によれば、スポットサイズが小さくかつ単一
モードの発光が得られる発光ダイオードを提供すること
ができ、この発光ダイオードは、カラーレーザプリンタ
ーやバーチャルリアリティーなどに用いることができる
構成を示す平面図である。
を示す断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 窒化ガリウム系化合物半導体層からなる
活性層の上にp型窒化ガリウム系化合物半導体層からな
るp層を備えた発光ダイオードにおいて、 上記p層の上面の一部を開口させる開口部を有する絶縁
膜が、上記p層を覆うように形成され、かつ上記開口部
を介して上記p層とオーミック接触する透明電極が形成
されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項2】 上記絶縁膜の上にさらに、光を遮断する
不透光膜が形成された請求項1記載の窒化物半導体発光
素子。 - 【請求項3】 上記p層の一部に凸部が形成され、かつ
上記開口部が上記凸部の上面を開口させるように形成さ
れた請求項1又は2記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項4】 上記絶縁膜の上に又は上記不透光膜上
に、上記透明電極に接続されたpパッド電極が形成され
た請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載の窒化物半
導体発光素子。 - 【請求項5】 上記活性層及び該活性層上に形成された
p層は、基板上に形成されたn型窒化ガリウム系化合物
半導体層からなるn層の一部の上に設けられ、その一部
を除くn層の上に該n層にオーミック接触するn電極が
形成された請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載の
窒化物半導体発光素子。 - 【請求項6】 上記n電極は上記透明電極を周りを囲む
ように形成された請求項5記載の窒化物半導体発光素
子。 - 【請求項7】 上記基板の下面に反射膜が形成された請
求項5又は6記載の窒化物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000359324A JP2002164575A (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | 窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
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