JP2006128450A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 III族窒化物半導体の転位密度を低減するとともに、基板方向に向かう発光層からの光を有効に反射し光を取り出すことにより、発光効率を向上させた発光素子を提供することにある。
【解決手段】 III族窒化物半導体発光素子において、基板上にＡｌから成る反射金属層２１０とＳｉＯ₂膜２２１とＳｉＮ膜２２２から成る反射マスク層２２０を形成し、この層により基板上に選択成長でIII族窒化物半導体層を形成し半導体発光素子を形成する。この半導体層上にはＩＴＯからなる透明導電膜１０が形成されており、前記基板上に設けられた反射金属層２１０及び反射マスク層２２０に反射された光は、この透明導電膜１０を通し外部に出力される。
上記構成により、反射マスク層によりIII族窒化物半導体の転位密度が低減でき、また、反射金属層及び反射マスク層により光を有効に反射し取り出すことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体発光素子に係り、詳しくは発光素子の転移密度の低減及び発光効率の向上に関する。

従来III族窒化物半導体発光素子は、ＧａＮ基板が入手困難であり、III族窒化物半導体発光素子を得るためには、サファイア基板等の異種基板上に結晶を成長させていた。このため、基板上に成長させたIII族窒化物半導体薄膜には、１０⁸〜１０¹⁰ｃｍ^-2もの非常に多数の転移が生じていた。この多数の転移により、III族窒化物半導体を用いた発光素子の素子特性は悪影響を受ける。そこで、III族窒化物半導体薄膜の転位密度を低減するための種々の技術が提案されている。

また、発光素子での発光を効率よく取り出すため、屈折率の異なる多層膜を形成し、発光層からの光を反射または透過させることにより発光効率を向上させる技術も提案されている。

これらの、特許文献として以下のものが挙げられる。
特開２００３−１５８２９５ 特開２００１−２７４５２１ 上記の特許文献１には、基板上のマスク層を形成し、選択成長技術により転位密度を低減する技術及びIII族窒化物半導体層の多層膜（ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflection）膜）により発光を効率よく取り出す構成が開示されている。

また、特許文献２には、サファイア基板上にストライプ状のＺｒＯ_２／ＳｉＯ_２膜（マスク）の誘電体多層反射鏡（ＤＢＲ）を設けた半導体レーザの構成が開示されている。

しかしながら、発光層からの光を反射する多層の反射膜を設ける場合、その上にIII族窒化物半導体が成長する必要があり、その材料・組成が制約されるという問題があった。また、多層の反射膜（ＤＢＲ）は膜に対して垂直な光に関しては、１００％に近い反射率を示すが、反射膜に対して斜めの光に関しては、その反射率が低下してしまい、特に、発光ダイオードのように、色々な方向の光を反射させる場合には、有効に機能しない場合があった。

さらに、III族窒化物半導体薄膜の転位密度を低減するためには、多層の反射膜上の更にマスク層を形成し選択成長させる必要があり、工程が煩雑になり、製造に時間かかるという問題があった。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、その目的は、III族窒化物半導体薄膜の転位密度を低減するとともに、基板方向に向かう発光層からの光を有効に反射し光を取り出しことにより、発光効率を向上させた発光素子を提供することにある。

上記課題を解決するための発明の構成は以下の通りである。

請求項１の発明は、基板上にIII族窒化物半導体の選択成長を行うために部分的に設けられたマスク層と、III族窒化物半導体層上に透明導電膜が設けられたIII族窒化物半導体発光素子において、基板の上には反射金属層を有し、マスク層はIII族窒化物半導体が成長しない屈折率の異なる多層の反射マスク層からな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、発光素子とは、基板上に半導体層を形成し、この半導体層上に透明導電膜を形成し、この透明導電膜より光を取り出す構成の半導体発光素子である。この透明導電膜が形成される半導体層は、ｐ型半導体でもｎ型半導体でもいずれでも良い。ｐ型化処理の関係で、通常、ｐ型半導体となるが、製造技術の進化により最上層がｎ型半導体になる場合もあるので、透明導電膜が形成されるコンタクト層は、いずれの伝導型であっても本発明は適用可能である。

基板としては、たとえば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコン（Ｓｉ）、炭化硅素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、リン化ガリムウ（ＧａＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎで表される４元、３元、２元の半導体を用いることができる。

透明導電膜としては、金属酸化物が挙げられるが、代表的には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるのが良い。また、金属薄膜でもよく、例えば、Ｎｉ/Ａｕまたは、Ｃｏ/Ａｕが用いられる。

多層の反射マスク層は、金属酸化物や金属窒化物やガラスが挙げられるが、代表的には、酸化硅素（ＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ_xＯ_y など）、窒化硅素（ＳｉＮ、Ｓｉ₂Ｎ₃、Ｓｉ_xＮ_y など）、酸化チタン（ＴｉＯ、ＴｉＯ₂ 、Ｔｉ_xＯ_yなど）、窒化チタン（ＴｉＮ、ＴｉＮ₂ 、Ｔｉ_xＮ_y など）、酸化タンタル（ＴａＯ、ＴａＯ₂、Ｔａ_xＯ_y ）、窒化タンタル（ＴａＮ、ＴａＮ₂ 、Ｔａ_xＮ_y）、酸化アルミニウ（Ａｌ₂Ｏ₃ 、Ａｌ_xＯ_y ）（以上、ｘ、ｙは任意整数）または、これらを複合させた組成物から選択された複数種類の物質を周期的に積層した膜である。望ましくは、屈折率差が大きい２種類の物質を交互に積層した膜である。各膜の厚さは、反射させるべき光の多層膜内波長の１／４の整数倍に設定される。この多層の反射マスク層はＤＢＲ(distributed bragg reflector) でもある。

反射金属層は、発光した光に対する反射率が高い金属であれば任意である。望ましくは、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀合金、アルミニウム合金、銀とアルミニウムを主成分に含む合金などである。

請求項２の発明は、反射マスク層は、窒化珪素（Ｓｉ_xＮ_y）と二酸化珪素（ＳｉＯ₂）から成ることを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物半導体発光素子である。この構成の時には、同一の装置内で形成でき、発光した光の反射率を大きくすることができる。

請求項３の発明は、基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）のうち何れか１種類であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物半導体発光素子である。

請求項４の発明は、反射金属層はアルミニウム（Ａｌ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のIII族窒化物半導体発光素子である。

反射金属層をアルムニウム（Ａｌ）で形成することにより、反射率の高い層を安価に製造することができる。

本発明によれば、基板上に反射金属層を設けるとともに、部分的に屈性率の異なる多層の反射マスク層を形成することにより、多層の反射層の材料・組成は、III族窒化物半導体が成長するため層である必要ははく、その材料・組成に制約を受けることなくより反射率の高い組合せを選定することができ。また、発光層よりの光を多層の反射マスク層で反射するとともに、反射マスク層に対し斜めの光は反射金属層により反射され半導体上に設けられた透明導電膜より効率よく光が取り出される。さらに、反射マスク層を介してIII族窒化物半導体が選択成長されているので、半導体中の転位密度が低減されより発光効率を向上させた発光素子を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
III族窒化物半導体発光素子の具体的な構成については後の実施例で詳しく説明するが、本発明は図１に示すように、半導体層上に設けられた透明導電膜１０より光を外部に出力される。サファイア基板１０１上には選択成長を行うための反射マスク層２２０が形成されており、この反射マスク層２２０とサファイア基板１０１との間には、反射金属層２１０が形成されている。この反射マスク層２２０の少なくとも最上部はIII族窒化物半導体が成長しない組成で形成されている。

この反射マスク層２２０が形成されていない部分には、バッファ層１０２が形成され、このバッファ層１０２上にｎ型コンタクト層１０４、発光層１０６、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型コンタクト層１０８が順次形成され、ｐ型コンタクト層１０８上に透明導電膜１０が形成されている。

上記構成により、発光層１０６から透明導電膜１０方向に出た光は、そのまま透明導電膜１０を通して、外部に出力される。また、発光層１０６からサファイア基板１０１対し略垂直方向に出た光は、反射マスク層２２０で反射され透明導電膜１０を通して外部に出力される。また、発光層１０６からサファイア基板１０１に対し斜めに出た光は、反射マスク層２２０の下に形成された反射金属層２１０で反射され同様に透明導電膜１０から外部に出力される。なお、図１では、反射マスク層２２０の下のみに反射金属層２１０を設けたが、バッファ層またはIII族窒化物半導体が成長する金属であれば反射金属層２１０を基板全面に設けても良い。

このように、サファイア基板１０１上に、反射金属層２１０及び反射マスク層２２０を形成したので、発光層１０６より出た基板方向の光は、透明導電膜１０の方向に有効に反射され外部に出力される。この反射マスク層２２０は、図２に示すようにＳｉＯ₂膜２２１とＳｉＮ膜２２２を交互に繰り返して積層した多層膜で構成している。

また、この反射マスク層２２０は、選択成長を行うマスク層として機能し、この上に形成されるIII族窒化物半導体の転位密度を低減することができる。

透明導電膜１０の形成方法は、スパッタ、真空蒸着などを用いることができ、特に限定されないが、電子線による真空蒸着で形成するのが望ましい。反射マスク層２２０の形成方法は、スパッタ、真空蒸着などを用いることができ、特に限定されないが、プラズマＣＶＤ法で形成するのが望ましい。

なお、発光層を構成する単一量子井戸構造や多重量子井戸構造は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物半導体Ａｌ_yＧａ_1-y-zＩｎ_zＮ（０≦ｙ＜１，０＜ｚ≦１）から成る井戸層を含むものが望ましい。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのＧａ_1-zＩｎ_zＮ（０≦ｚ≦１）から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きい任意の組成のIII族窒化物半導体ＡｌＧａＩｎＮから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＧａ_1-zＩｎ_zＮ（０＜ｚ≦１）の井戸層とアンドープのＧａＮから成る障壁層である。ここでドープは、ドーパントを意図的に原料ガスに含ませて目的とする層に添加していることを意味し、アンドープは、原料ガスにドーパントを含ませないで、意図的にドーパントを添加しないものを意味する。したがって、アンドープは、近接の層から拡散して自然にドーピングされている場合をも含む。

III族窒化物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

半導体素子を構成する各層のIII族窒化物半導体は、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII−Ｖ族窒化物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置き換えても良く、また、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型の層を形成する場合には、ｎ型不純物として、ＳｉＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を添加し、ｐ型の層を形成する場合には、ｐ型不純物としては、、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。

図１は、本実施例１の半導体発光素子１を示す断面図であり、図２はその基板上に設けられた反射金属層、反射マスク層の部分の製造工程を示す断面図である。

厚さ１００μｍの透光性基板としてのサファイア基板１０１の上にはアルミニウム（Ａｌ）から成る膜厚５００ｎｍの反射金属層２１０とこの反射金属層２１０上にＳｉＯ_２膜２２１とＳｉＮ膜２２２から成る多層の反射マスク層２２０が形成された部分と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約２０ｎｍのバッファ層１０２が形成された部分からなる。この反射金属層２１０及び反射マスク層２２０とバッファ層１０２は、ストライプ状に形成され、それぞれ１０μｍと1μｍの幅で形成されている。反射金属層２１０及び反射マスク層の幅は、２μｍ〜４０μｍが好ましく、さらに好ましくは３μｍ〜２０μｍが好ましい。バッファ層の幅は、０．５μｍ〜２μｍが好ましい。また両者の比率は、５：１〜２０：１程度が好ましく、５：１よりバッファ層の比率が多い場合では、十分な反射が得られず、２０：１よりバッファ層の比率が多い場合では、ｎ型コンタクト層１０４の成長に時間がかかる。

この反射マスク層２２０は、ＳｉＯ₂ 膜２２１が８０ｎｍ、ＳｉＮ膜２２２が６０ｎｍで、１２対積層させていた総合厚さは１．６８μｍである。各膜の厚さは、発光波長４６５ｎｍの媒体内波長（ＳｉＯ₂の屈折率は１．４６でその媒体内波長は３２０ｎｍ、ＳｉＮの屈折率は１．９４でその媒体内波長は２４０ｎｍ）の１／４に設定されている。反射マスク層２２０の積層数は、８対以上２０対以下が望ましい。８対よりも少ないと、多重反射の効果が小さくしたがって反射率が小さくなるので望ましくない。２０対以上となっても、多重反射の効果が２０対の反射膜以上には大きくならず反射マスク層２２０の全体の膜厚が厚くなるので望ましくない。

これら上にはシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮから成る膜厚約８．０μｍの高キャリア濃度ｎ+層であるｎ型コンタクト層１０４が形成されている。このｎ型コンタクト層は、部分的に設けられたバッファ層１０２より成長させる選択成長により、反射マスク層２２０上を横方向に成長させ形成されている。これにより、ｎ型コンタクト層の転位密度は低減されている。

また、このｎ型コンタクト層１０４の電子濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³である。この層の電子濃度は、高い程、望ましいが、２×１０¹⁹／ｃｍ³まで、増加可能である。そして、ｎ型コンタクト層１０４の上に、膜厚２０ｎｍのノンドープのＧａＮと膜厚３ｎｍのノンドープのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎからなる３周期分積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０６が形成されている。発光層１０６の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る膜厚約６０ｎｍのｐ型クラッド層１０７が形成されている。さらに、ｐ型クラッド層１０７の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮから成る膜厚約１３０ｎｍのｐ型コンタクト層１０８が形成されている。さらに、ｐ型コンタクト層１０８の上にはＩＴＯから成る透明導電膜１０が形成されている。透明導電膜１０の厚さは、０．５μｍである。

一方、ｐ型コンタクト層１０８からエッチングして、露出したｎ型コンタクト層１０４上には、ｎ電極１４０が形成されている。ｎ電極１４０は２重構造をしており、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）層１４１と、膜厚約１．８μｍのアルミニウム（Ａｌ）層１４２とをｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分に、順次積層させることにより構成されている。また、ｎ電極１４０と対向する側の透明導電膜上には、主に膜厚約１．５μｍの金（Ａｕ）からなるｐ電極１５０が形成されている。

このように製造した発光素子１は、反射金属層２１０と反射マスク層２２０を用いずに、単層のマスク層で形成した発光素子に比べて、外部量子効率は、約１５％向上した。

次に反射金属層２１０と反射マスク層２２０の製造方法について、図２に基づき簡単に説明する。

まず図２（ａ）に示すように、サファイア基板上にスパッタリングによりアルミニウム（Ａｌ）から成る膜厚５００ｎｍの反射金属層２１０を形成した後、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ₂膜２２１が８０ｎｍ、ＳｉＮ膜２２２が６０ｎｍで、１２対積層させた（図面中では、その層の数は省略して図示している）。この上に１０μｍの幅のフォトマスク３００を、１μｍの間隔でストライプ状に形成し、ドライエッチングによりサファイア基板１０１まで各層を除去した（図２（ｂ））。次に前記発光素子の構成の説明では省略したがアルミニウム（Ａｌ）からなる反射金属層を保護するためにＳｉＯ_２からなる保護膜２２３をスパッタリングにより形成し、ドライエッチングにより反射マスク層２２０の上面及びサファイア基板１０１上の保護膜を除去し、反射金属層２１０及び反射マスク層２２０の側面のみを覆うようにした。この構成により、少なくとも反射金属層２１０のアルミニウム（Ａｌ）が保護され、ＭＯＣＶＤによりIII族窒化物半導体を成長させる場合に、アルミニウム（Ａｌ）の影響をなくすことができる。
次に図２（ｄ）に示すように、サファイア基板上に低温成長のバッファ層１０２を形成し後、ｎ型コンタクト層を形成し、発光素子の各半導体層を形成する。

本発明は、発光素子、発光素子チップ、ＬＥＤランプ、ディスプレイなどの発光装置に用いることができる。発光装置の外部量子効率の向上に極めて有効であり、同一入力電力で比較すれば、発光出力を大きくすることができる。

本件発明の具体的な実施例にかかる発光素子の断面図。 同実施例の基板と半導体層界面の構成を示す断面図。

符号の説明

１…発光素子
１０…透明導電膜
１０１…サファイア基板
１０２…バッファ層
１０４…ｎ型コンタクト層
１０６…発光層
１０７…ｐ型クラッド層
１０８…ｐ型コンタクト層
１４０…ｎ電極
１５０…ｐ電極
２１０…反射金属層
２２０…反射マスク層
２２１…ＳｉＯ_２膜
２２２…ＳｉＮ膜
２２３…保護膜
３００…フィトマスク

Claims (4)

1. 基板上にIII族窒化物半導体の選択成長を行うために部分的に設けられたマスク層と、III族窒化物半導体層上に透明導電膜が設けられたIII族窒化物半導体発光素子において、
   前記基板の上には反射金属層を有し、
   前記マスク層はIII族窒化物半導体が成長しない屈折率の異なる多層の反射マスク層からなることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
2. 前記反射マスク層は、窒化珪素（ＳｉxＮy）と二酸化珪素（ＳｉＯ2）から成ることを特徴とする請求項１記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 前記基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）のうち何れか１種類であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 前記反射金属層はアルミニウム（Ａｌ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のIII族窒化物半導体発光素子。

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