JP2005109283A - GaN系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 Si基板等の導電性基板上にGaN系半導体層を形成しても、GaN系半導体層及び導電性基板に反りが発生しないGaN系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【構成】 Si基板1上に光反射層2,3を介して複数のドット状のn型クラッド層4及びInGaN発光層5を形成し、その上に凹凸のp型クラッド層6及びp型コンタクト層7を形成した。このことにより、成長後に熱膨張収縮差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、ホトリソグラフィ工程において焦点が合わなくなったりすることもない。また、半導体層にクラックが入る不具合も低減できる。
【選択図】 図1
【構成】 Si基板1上に光反射層2,3を介して複数のドット状のn型クラッド層4及びInGaN発光層5を形成し、その上に凹凸のp型クラッド層6及びp型コンタクト層7を形成した。このことにより、成長後に熱膨張収縮差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、ホトリソグラフィ工程において焦点が合わなくなったりすることもない。また、半導体層にクラックが入る不具合も低減できる。
【選択図】 図1
Description
本発明はGaN系半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、基板及び基板上に形成されるGaN系半導体層の反りをなくしたGaN系半導体発光素子及びその製造方法に関する。
従来のGaN系半導体発光素子として、例えば、特許文献1に記載されているものがある。
特許文献1に記載されているGaN系半導体発光素子は、例えば、n型光ガイド層の表面をエッチング等によって凹凸にし、その凹凸にした表面にInGaN活性層を凹凸に形成することによって構成されている。
この構成によれば、活性層を凹凸に形成することによって活性層にInプアー領域とInリッチ領域を形成し、その結果、活性層に量子ドット効果、量子箱効果を付与することによって発光効率を増大させることができると記載している。
特開平10−215029号公報
しかし、従来のGaN系半導体発光素子によれば、絶縁体であるサファイア基板上にGaN系半導体層が形成されているため、サファイア基板から電極を取り出すことができない。基板から電極を取り出すためには、基板を導電性を有するSi基板あるいはSiC基板等の導電性基板によって構成しなければならない。
しかし、例えば、Si基板上にGaN系半導体層を形成すると、GaN系半導体の熱膨張係数がSiのそれよりも顕著に大きいため、成長後に常温に戻るとGaN系半導体層を内側にして反りが発生するという不都合が生じる。GaN系半導体層に反りが発生すると、発光素子形成工程においてホトリソグラフィーの焦点が合わなくなる等の不都合が生じる。また、反りが大きいとGaN結晶層にクラックが入るという不具合も生じる。
従って、本発明の目的は、Si基板等の導電性基板上にGaN系半導体層を形成しても、GaN系半導体層及び導電性基板に反りが発生しないGaN系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明によると、1導電型の第1半導体層と他の導電型の第2半導体層の間に発光層を配置したGaN系半導体発光素子において、
前記発光層は、複数のドット状に成長したIn1-x-yAlxGayN(0≦x<1,0<y≦1,0<x+y≦1)層によって形成されることを特徴とするGaN系半導体発光素子を提供する。
前記発光層は、複数のドット状に成長したIn1-x-yAlxGayN(0≦x<1,0<y≦1,0<x+y≦1)層によって形成されることを特徴とするGaN系半導体発光素子を提供する。
また、前記第1半導体層は、n型あるいはp型のSi基板によって形成され、
前記発光層は、複数のドット状に成長したInGaN発光層によって形成され、
前記第2半導体層は、p型あるいはn型のGaN系半導体層によって形成される。
前記発光層は、複数のドット状に成長したInGaN発光層によって形成され、
前記第2半導体層は、p型あるいはn型のGaN系半導体層によって形成される。
また、前記n型あるいはp型のSi基板は、その表面にn型あるいはp型のクラッド層が形成されており、
前記p型あるいはn型のGaN系半導体層は、p型あるいはn型のAlGaNクラッド層及びp型あるいはn型のGaNコンタクト層によって形成される。
前記p型あるいはn型のGaN系半導体層は、p型あるいはn型のAlGaNクラッド層及びp型あるいはn型のGaNコンタクト層によって形成される。
また、前記n型あるいはp型のクラッド層は、前記InGaN発光層に対応して複数のドット状に成長したn型あるいはp型のGaNクラッド層によって形成される。
また、前記n型あるいはp型のSi基板は、前記n型あるいはp型のラッド層の間に光反射層を有する。
また、本発明によると、1導電型の第1半導体層上に複数のドット状のInAlGaN発光層を成長させる発光層成長段階と、
前記ドット状のInAlGaN発光層上に他の導電型の第2半導体層を成長させる半導体層成長段階を含むことを特徴とするGaN系半導体発光素子の製造方法を提供する。
前記ドット状のInAlGaN発光層上に他の導電型の第2半導体層を成長させる半導体層成長段階を含むことを特徴とするGaN系半導体発光素子の製造方法を提供する。
また、前記発光層成長段階は、前記第1半導体層としてのn型あるいはp型のSi基板上に複数のドット状のInGaN発光層をMOCVDによって成長させるInGaN発光層成長段階を含み、
前記半導体層成長段階は、p型あるいはn型のGaN系半導体層を成長させるGaN系半導体層成長段階を含む。
前記半導体層成長段階は、p型あるいはn型のGaN系半導体層を成長させるGaN系半導体層成長段階を含む。
また、前記InGaN発光層成長段階は、前記Si基板上に複数のドット状開口を有するマスクを形成するマスク形成段階と、前記マスクの開口を介して前記Si基板上に複数のドット状のGaNクラッド層を成長させるクラッド層成長段階とを含み、前記GaNクラッド層上に前記InGaN発光層を形成する。
また、前記InGaN発光層成長段階では、前記Si基板上にInGaNの核をMOCVDによって成長させる段階を含む。
本発明では、基板としてSi基板を使用しているが、これを限定されることはなく、例えばSiC基板、あるいは他の導電性基板を使用することもできる。しかし、SiC基板を使用すると、透光性を有しているので光反射層を設ける必要はない。
また、発光層はInGaNによって形成されるが、四元系のInAlGaNあるいは二元系のGaNによって形成されても良い。また、本発明でいう「ドット状」とは、不連続な形態をいい、その形状については特に限定されない。
本発明のGaN系半導体発光素子によると、発光層が複数のドット状のパターンで形成されているので、成長後に熱膨張収縮差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、ホトリソグラフィ工程において焦点が合わなくなったりすることもない。また、半導体層にクラックが入る不具合も低減できる。
また、InGaN発光層が複数のドット状のパターンで形成されるので、熱膨張係数差が大きいSi基板を使用したとしても反りの発生を抑えることができる。
また、複数のドット状のInGaN発光層がクラッド層によって挟まれるので、キャリアの閉じ込め効果によって高い発光効率で動作させることができる。
また、Si基板上に形成されるクラッド層を複数のドット状のパターンで形成したので、熱膨張収縮差に基づく反りを更に抑えることができる。
また、Si基板は光吸収特性を有するが、その表面に光反射層を設けたので、Si基板に吸収される光量を低減することができ、光出射効率の低減を抑えることができる。反射層はTiXAl1-XN(0≦X≦1)を用いることができる。
本発明のGaN系半導体発光素子の製造方法によると、複数のドット状の発光層を成長させるので、成長後に熱膨張係数差に基づく反りの発生を抑えることができる。従って、後工程においてホトリソグラフィの合焦点化が容易になり、製造プロセスの容易性を高めることができる。
また、複数のドット状のInGaN発光層をMOCVDによって成長させることができるので、既に確立されている製造プロセスを利用することができる。
また、複数のドット状のInGaN発光層を複数のドット状の開口を有するマスクを使用して成長させることができるので、すでに確立されている製造プロセスを利用しながら高い寸法精度で発光層を形成することができる。
また、複数のドット状のInGaN発光層をInGaN膜に成長する前の核に基づいて形成することができるので、既に確立されているMOCVDプロセスを利用することができる。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るGaN系半導体発光素子を示す。このGaN系半導体発光素子は、n型Si基板1上にTiN光反射層2を形成し、その上にAlN光反射層3を形成する。次に、複数のドット状の開口を有するSiO2マスク11を形成し、このマスク11を介して複数のn型GaNクラッド層4をドット状に形成し、この上に複数のドット状のIn0.25Ga0.85N発光層5を形成し、その上にp型AlGaNクラッド層6及びp型GaNコンタクト層7を形成する。この後、その上に透光性電極8を形成し、その上の一部にp型パッド電極9を形成する。一方、n型Si基板1の裏面にn型電極9が設けられている。
以上の構成において、パッド電極10にボンディングされた図示しないボンディングワイヤとn型電極9を介して順方向の電圧を印加すると、In0.25Ga0.85N発光層5においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光し、出力光が透光性電極8を介して外部へ放射される。このとき、n型Si基板1の方向へ出射される光は、AlN光反射層3及びTiAlN反射層2によって反射されるので、n型Si基板1に吸収される光量を減少することができる。
図1において、n型をp型として、p型をn型として読み替えた構成にすることもできる。また、Si基板1をSiC基板に変えることもできる。その場合、光反射層2、3を省略しても良い。
以下に、第1の実施の形態のGaN系半導体発光素子の製造方法を説明する。
図1において、430μmの厚さのn型Si基板1を洗浄の後、スパッタリング装置へ設置する。
次に、約100nmのTiN光反射層2をスパッタによってn型Si基板1上に形成する。
次に、n型Si基板1をMOCVD装置内のサセプタ上に設置し、基板温度を1000℃まで上げ、NH3、及びTMA(トリメチルアルミニウム)を供給して約5nmの厚さのAlN光反射層3を形成する。
次に、従来の方法で複数のドット状の開口を有するSiO2マスク11を形成する。
次に、MOCVD装置において、基板温度を1000℃とし、NH3、TMG(トリメチルガリウム)、及びSiH4(シラン)を供給して約20nmの厚さの複数のシリコンドープn型GaNクラッド層4(キャリア濃度:5×1018/cm3)をSiOマスク11の開口を介してドット状に形成する。
次に、n型Si基板1の温度730℃まで降温し、NH3、TMG、及びTMI(トリメチルインジウム)を供給して厚さ3nmの複数のIn0.25Ga0.85N発光層5をn型GaNクラッド層4上にドット状に形成する。
次に、n型Si基板1の温度1000℃まで上げ、NH3、TMA、TMG、及びCpMg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム)を供給して約200nmの厚さのp型AlGaNクラッド層6(キャリア濃度:1×1018/cm3)を形成する。
次に、n型Si基板1の温度を1000℃に維持し、TMG、NH3、及びCp2Mgを供給して5〜10nmの厚さのマグネシウムドープのp型GaNコンタクト層7(キャリア濃度:1×1018/cm3)を形成する。
次に、コンタクト層7の上に透光性電極8とパッド電極10を形成し、n型Si基板1の裏面にn型電極9を形成する。
以上の成長プロセスを経て製造されたGaN系半導体発光素子は、InGaN発光層5がドット状に形成されるため、前述したように、n型Si基板含む素子全体の反りを抑えることができる。
図2は、第2の実施の形態のGaN系半導体発光素子を示す。このGaN系半導体発光素子は、図1のものと比較してSiO2マスク11を有しない構成において相違し、それ以外の構成は図1のものと共通する。
このGaN系半導体発光素子のn型GaNクラッド層4は、MOCVD装置において、n型Si基板1の温度を1000℃とし、NH3、TMG、及びSiH4を供給し、GaN膜が成長する前の核の状態で成長プロセスを停止する。核の形状は1辺が約3nmの立法形状を有し、AlN光反射層3上に複数のドット状のシリコンドープのn型GaNクラッド層4(キャリア濃度:5×1018/cm3)として形成される。
次に、n型Si基板1の温度を730℃まで降温し、NH3、TMG、及びTMIを供給して約3nmの厚さのドット状の複数のIn0.25Ga0.85N発光層5を複数のドット状のn型GaNクラッド層4上に形成する。
以降は、図1の実施の形態と同じプロセスが繰り返され、図2に示したGaN系半導体発光素子が製造される。
図1及び図2の実施の形態において、複数のn型クラッド層4及び複数の発光層5がドット状に形成され、また、p型クラッド層6及びp型コンタクト層7が若干凹凸に形成される傾向があり、また薄く形成されているため、半導体層の成長後に常温に戻っても、n型クラッド層4及び発光層5の熱収縮がn型基板1に反りを与えることにはならず、また、p型クラッド層6及びp型コンタクト層7がその凹凸形状により熱収縮を緩和する。その結果、従来の技術で問題とされた半導体層の反りを効果的に抑えることができる。
尚、AlN反射層は光反射の機能に加えて、Si基板1とその上に成長するGaN系半導体層の格子不整を緩和する機能を有する。また、基板は絶縁性基板であっても、反りが発生する恐れがあるものについては、本発明を適用することができる。
図3は、第3の実施の形態のGaN系半導体発光素子を示す。このGaN系半導体発光素子は、図1のn型Si基板1上に直接InGaN発光層5を形成したものであり、TiAlN光反射層2、AlN光反射層3、およびn型GaNクラッド層4を有しない構成としている、その他の部分については図1のものと共通する。
第3の実施の形態において、低温(730℃)でInGaN発光層5をドット状に成長させると、同時にn型Si基板1の表面(露出部分)はSiN絶縁層12に改質される。このような構成によれば、熱膨張係数差に基づく反りの発生を抑えることができるとともに、製造プロセスの容易性をより高めることができる。
1:n型Si基板
2:TiN光反射層
3:AlN光反射層
4:n型GaNクラッド層
5:InGaN発光層
6:p型AlGaNクラッド層
7:p型GaNコンタクト層
8:透光性電極
9:n型電極
10:p型パッド電極
2:TiN光反射層
3:AlN光反射層
4:n型GaNクラッド層
5:InGaN発光層
6:p型AlGaNクラッド層
7:p型GaNコンタクト層
8:透光性電極
9:n型電極
10:p型パッド電極
Claims (9)
- 1導電型の第1半導体層と他の導電型の第2半導体層の間に発光層を配置したGaN系半導体発光素子において、
前記発光層は、複数のドット状に成長したIn1-x-yAlxGayN(0≦x<1,0<y≦1,0<x+y≦1)層によって形成されることを特徴とするGaN系半導体発光素子。 - 前記第1半導体層は、n型あるいはp型のSi基板によって形成され、
前記発光層は、複数のドット状に成長したInGaN発光層によって形成され、
前記第2半導体層は、p型あるいはn型のGaN系半導体層によって形成されることを特徴とする請求項1記載のGaN系半導体発光素子。 - 前記n型あるいはp型のSi基板は、その表面にn型あるいはp型のクラッド層が形成されており、
前記p型あるいはn型のGaN系半導体層は、p型あるいはn型のAlGaNクラッド層及びp型あるいはn型のGaNコンタクト層によって形成されていることを特徴とする請求項2記載のGaN系半導体発光素子。 - 前記n型あるいはp型のクラッド層は、前記InGaN発光層に対応して複数のドット状に成長したn型あるいはp型のGaNクラッド層によって形成されることを特徴とする請求項3記載のGaN系半導体発光素子。
- 前記n型あるいはp型のSi基板は、前記n型あるいはp型のクラッド層の間に光反射層を有する請求項3記載のGaN系半導体発光素子。
- 1導電型の第1半導体層上に複数のドット状のIn1-x-yAlxGayN(0≦x<1,0<y≦1,0<x+y≦1)発光層を成長させる発光層成長段階と、
前記ドット状のIn1-x-yAlxGayN発光層上に他の導電型の第2半導体層を成長させる半導体成長段階を含むことを特徴とするGaN系半導体発光素子の製造方法。 - 前記発光層成長段階は、前記第1半導体層としてのn型あるいはp型のSi基板上に複数のドット状のInGaN発光層をMOCVDによって成長させるInGaN発光層成長段階を含み、
前記半導体層成長段階は、p型あるいはn型のGaN系半導体層を成長させるGaN系半導体層成長段階を含むことを特徴とする請求項6記載のGaN系半導体発光素子の製造方法。 - 前記InGaN発光層成長段階は、前記Si基板上に複数のドット状の開口を有するマスクを形成するマスク形成段階と、前記マスクの開口を介して前記Si基板上に複数のドット状のGaNクラッド層を成長させるクラッド成長段階とを含み、前記GaNクラッド層上に前記InGaN発光層を形成することを特徴とする請求項7記載のGaN系半導体発光素子の製造方法。
- 前記InGaN発光層成長段階は、前記Si基板上にInGaNの核をMOCVDによって成長させる核成長段階を含む請求項7記載のGaN系半導体発光素子の製造方法。
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