JP2011040783A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧を下げて、発光効率を上げることができる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板１００と、前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層１２０と、前記ｎ型窒化物半導体層上の一部分に形成された活性層１３０と、前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層１４０と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、ｐ型不純物が１×１０²⁰／ｃｍ³以上ドーピングされているｐ型コンタクト層１５０と、前記ｐ型コンタクト層上に形成された透明酸化電極１６０と、前記透明酸化電極上に形成されたｐ型電極１７０と、前記活性層が形成されない前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ型電極１８０とで、窒化物半導体発光素子を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、さらに詳細には、接触抵抗を低くして電流拡散効果を高め、これにより動作電圧を下げ、発光効率を上げることができる窒化物半導体発光素子に関する。

ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体を使用した素子は、その用途が様々な分野に拡大して発光ダイオード、レーザーダイオードなどの発光素子、太陽電池、光センサーなどの受光素子、又はトランジスタ及びパワーデバイスなどの電子デバイスでも研究されて用いられている。これら物質を利用したＬＤ及びＬＥＤは、総天然色電光板、交通信号灯、イメージスキャナー光源などの各種光源と高密度光気録媒体の開発などのために必須であると言える。

これら窒化物半導体のＬＥＤ素子は、基本的にサファイア基板上にバッファ層と、ＳｉドーピングされたＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの単一量子井戸又は多重量子井戸からなる活性層と、Ｍｇドーピングされたｐ−ＡｌＧａＮからなるクラッド層とＭｇドーピングされたｐ−ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層が順に積層される構造を有している。

このように、一般的な窒化物半導体のＬＥＤは、既に実用化されて広く常用されており、ＬＤでも常用される時点に達したが、ＬＥＤを、例えば照明用光源、直射日光の当る屋外ディスプレイなどとして使用するためには、出力向上がさらに必要であり、ＬＤでは、しきい値を低下させて寿命を延長し、光ピックアップ、ＤＶＤなどの安定した光源として実用化するためには、さらに多くの改良が必要である。

ＬＥＤ素子において、動作電圧をより低くすることは、発熱量を小さくし、それにより信頼性及び寿命を向上させるという点で極めて重要である。ｐ−クラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の効果を高めるために、ｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させて光抽出効率を上げているが、これによって圧電フィールド（ｐｉｅｚｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）が強く作用して、ブルーシフト（ｂｌｕｅ ｓｈｉｆｔ）が増加し、動作電圧も高くなってしまう可能性がある。そこで、ｐ型窒化物半導体層上にｐ＋ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を成長させることでオーム特性を向上させて動作電圧を下げている。

また、従来では、オーム接触を形成するためのＩＴＯのような透明酸化電極が一般に用いられているが、ＩＴＯは、ｎ型物質であるから、ｐ型コンタクト層との間でショットキー型接合を形成し、これにより電流が均一に流れないようになり、むしろ接触抵抗及び動作電圧が高まってしまう。そこで、接触抵抗を下げるために、ＣＩＯ、ＺｎＯ系、ＭｇＺｎＯなどの他の種類の透明電極を使用して動作電圧を下げて使用している。しかしながら、このような方法は、ＩＴＯ一層で形成された透明電極より透明度が落ち、さらに、様々な種類の層が接触するため、それらの透明電極の厚さは薄くなり、時間や管理の点で工程が複雑になるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ｐ型コンタクト層に不純物バンドを多く発生させることによって、前記ｐ型コンタクト層が透明度の優れたｎ型のＩＴＯなどのような透明酸化電極とオーム接触をなすようにして接触抵抗を下げることによって電流拡散効果を高め、これにより動作電圧を下げ、発光効率を上げることができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上の一部分に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、ｐ型不純物が１×１０²⁰／ｃｍ³以上ドーピングされているｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層上に形成された透明酸化電極と、前記透明酸化電極上に形成されたｐ型電極と、前記活性層が形成されない前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ型電極と、を含む。

ここで、前記透明酸化電極は、ｎ型特性を有するＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＣｕＩｎＯ₂、Ｚｎ_1-xＡｌ_xＯ、Ｚｎ_1-xＭｇ_xＯ、ＳｎＯ₂、ＲｕＯ₂、ＰｄＯ、Ｂｉ₂Ｒｕ₂Ｏ₇及びＢｉ₂Ｉｒ₂Ｏ₇で構成された群から選択される何れか一つからなることを特徴とする。

また、前記透明酸化電極は、少なくとも１層以上に構成されたことを特徴とする。

また、前記透明酸化電極は、ｎ型又はｐ型導電性不純物がドーピングされたことを特徴とする。

また、上記の目的を達成すべく、本発明に係る他の窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上の一部分に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、ｐ型不純物でドーピングされ、前記ｐ型不純物のドーピング濃度より低いドーピング濃度でｎ型不純物がドーピングされているｐ型コンタクト層と、前記ｐ型コンタクト層上に形成された透明酸化電極と、前記透明酸化電極上に形成されたｐ型電極と、前記活性層が形成されない前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ型電極と、を含む。

本発明に係る窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型コンタクト層に不純物バンドを多く発生させることによって、前記ｐ型コンタクト層が透明度の優れたｎ型のＩＴＯなどのような透明酸化電極とオーム接触をなすようにして接触抵抗を下げて電流拡散効果を高めることができるところ、素子の動作電圧を下げ、発光効率を上げることができ、サージ（ｓｕｒｇｅ）とＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）衝撃を緩和させることができる。よって、本発明は、素子の耐久性を強化させ、信頼性を向上させることができるという効果がある。

以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施の形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。なお、図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。

以下、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子について、図１を参考にして詳細に説明する。図１は、本発明に係る窒化物半導体発光素子の構造を示した断面図である。本発明に係る窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、光透過性基板１００の上にバッファ層１１０、ｎ型窒化物半導体層１２０、活性層１３０、ｐ型窒化物半導体層１４０が順次積層された構造を有する。

ｐ型窒化物半導体層１４０と活性層１３０は、一部メサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によってその一部領域が除去されて、ｎ型窒化物半導体層１２０の一部上面が露出している。

基板１００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した基板であって、好ましくは、サファイアを含む透明な材料で形成され、基板１００は、サファイアの他にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＺｎＯ又はＧａＮなどで形成されることができる。

ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２０、１４０と活性層１３０は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-ｘ-ｙＮ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）の組成式を有する半導体物質であって、ＭＯＣＶＤ及びＭＢＥ工程のような公知の窒化物蒸着工程により形成されることができる。さらに具体的に、ｎ型窒化物半導体層１２０は、ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層などからなることができ、ｎ型不純物としてはＳｉなどを使用し、前記ｐ型窒化物半導体層１４０は、ｐ型不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層などからなり得、ｐ型不純物としてはＭｇなどを使用することができる。活性層１３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_１-x-yＮ／Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ（ｘ≦１、ｙ≦１、ａ≦１、ｂ≦１）、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ層などで形成されることができる。

ｐ型窒化物半導体層１４０上には、オーム接触のためのｐ型コンタクト層１５０、及び電流拡散効果の向上のためのｎ型の透明酸化電極１６０が順に形成されている。

ここで、前記透明酸化電極１６０は、ＩＴＯからなることが好ましい。また、透明酸化電極１６０は、ＩＴＯの他にも、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＣｕＩｎＯ₂、Ｚｎ_1-xＡｌ_xＯ、Ｚｎ_1-xＭｇ_xＯ、ＳｎＯ₂、ＲｕＯ₂、ＰｄＯ、Ｂｉ₂Ｒｕ₂Ｏ₇及びＢｉ₂Ｉｒ₂Ｏ₇等からなることができる。このような透明酸化電極１６０は、透過度が優れており、接触抵抗が低いので、動作電圧を下げ、発光効率を上げることができる。

透明酸化電極１６０は、目的によって２層以上で構成できるが、その場合、界面により散乱されて透過度が低下できるので、単一層で構成することが好ましい。

特に、本発明に係る透明酸化電極１６０は、ｎ型又はｐ型導電性不純物をドーピングすることによりコンタクト特性及び導電性を向上させることができる。

透明酸化電極１６０上には、ｐ型電極１７０が形成されており、前記メサエッチング工程により露出したｎ型窒化物半導体層１２０上には、ｎ型電極１８０が形成されている。

特に、本発明によれば、ｐ型コンタクト層１５０にオーム接触向上のために、Ｍｇのようなｐ型不純物が１×１０²⁰／ｃｍ³以上ドーピングされているか、又はｐ型コンタクト層１５０にＭｇのようなｐ型不純物がドーピングされる一方で、そのｐ型不純物のドーピング濃度より低いドーピング濃度でｎ型不純物がドーピングされている。ｐ型コンタクト層１５０にドーピングされるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｃ、又はＯなどを利用することができる。

ここで、ｐ型コンタクト層１５０にｐ型不純物が１×１０¹⁹／ｃｍ³より低い濃度でドーピングされる場合、ｐ型コンタクト層１５０がｐ型特性のみを有するようになって不純物バンドが少なくなり、これにより、本発明で所望のオーム接触特性を得ることはできないので、１×１０¹⁹／ｃｍ³以上の濃度でｐ型不純物がドーピングされることが好ましい。

上記のように、ｐ型コンタクト層１５０に所定濃度以上のｐ型不純物がドーピングされるか、又はｐ型不純物と共にｎ型不純物がドーピングされると、ｐ型コンタクト層１５０がｐ型特性を有するが、不純物バンドが多量に発生しながらｐ型特性が弱くなるところ、ＩＴＯのようなｎ型の透明酸化電極１６０とのオーム接触特性が大きく向上することができる。

基本的に、ｐ−ＧａＮにオーム接触を形成するために仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の高い物質は使用していない。このｐオーム接触は、不連続バンド（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｂａｎｄ）発生時に不純物レベルへの電子透過によって形成されるものと知られている。そこで、本発明では、ｐ型コンタクト層１５０形成のためのｐ−ＧａＮ物質の成長時にＳｉなどのようなｎ型不純物を共にドーピングするか、又はＮ−ベイカンシー（Ｎ ｖａｃａｎｃｙ）又はＭｇ−Ｈコンプレックス（ｃｏｍｐｌｅｘ）に起因する不純物の発生を調節して、ドナーバンドにさらに多く不純物バンドが形成され得るようにして、ｐ型コンタクト層１５０がｎ型物質のＩＴＯ、ＺｎＯなどとオーム接触をなすようにすることができる。

上述のように、本発明による窒化物半導体発光素子において、不純物バンドが多く発生したｐ型コンタクト層１５０と透明酸化電極１６０は、優れたオーム接触特性を示し、これにより、電流拡散特性を向上させることができ、さらに、素子の動作電圧を下げ、発光効率を上げることができ、サージとＥＳＤ衝撃を緩和させることができるという効果がある。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

本発明に係る窒化物半導体発光素子の構造を示した断面図である。

１００ 基板
１１０ バッファ層
１２０ ｎ型窒化物半導体層
１３０ 活性層
１４０ ｐ型窒化物半導体層
１５０ ｐ型コンタクト層
１６０ 透明酸化電極
１７０ ｐ型電極
１８０ ｎ型電極

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上の一部分に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、ｐ型不純物でドーピングされ、前記ｐ型不純物のドーピング濃度より低いドーピング濃度でｎ型不純物がドーピングされているｐ型コンタクト層と、
   前記ｐ型コンタクト層上に形成された透明酸化電極と、
   前記透明酸化電極上に形成されたｐ型電極と、
   前記活性層が形成されない前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ型電極と、を含む窒化物半導体発光素子。
2. 前記透明酸化電極は、ｎ型特性を有するＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＣｕＩｎＯ₂、Ｚｎ_1-xＡｌ_xＯ、Ｚｎ_1-xＭｇ_xＯ、ＳｎＯ₂、ＲｕＯ₂、ＰｄＯ、Ｂｉ₂Ｒｕ₂Ｏ₇及びＢｉ₂Ｉｒ₂Ｏ₇で構成された群から選択される何れか一つからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記透明酸化電極は、少なくとも１層以上に構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記透明酸化電極は、ｎ型又はｐ型導電性不純物がドーピングされたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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