JP2014107286A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、発光層と、導電性の金属層と、第1応力印加層と、を備えた半導体発光素子が提供される。第1半導体層は、窒化物半導体結晶を含み(0001)面内に引張り応力を受けている。第2半導体層は、窒化物半導体結晶を含む。発光層の平均の格子定数は、第1半導体層の格子定数よりも大きい。金属層は、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する。第1応力印加層は、金属層から第2半導体層に印加される引張り応力を緩和する。
【選択図】図1
Description
高電流密度での素子動作が要求される場合には、素子の温度が高くなり、熱膨張に起因した応力によるクラックや欠陥などの発生の問題が生ずる。このようなクラックや欠陥は、素子特性を劣化させたりするほか、場合によっては素子が動作しなくなる場合がある。結晶層内部に含まれる引張り応力あるいは高温動作時に発生する応力に起因するクラックの発生あるいは欠陥の導入に伴う素子特性の劣化および動作不良を抑制し、発光効率の高い半導体発光素子の実現が望まれている。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1に表したように、実施形態にかかる半導体発光素子110は、第1導電形の第1半導体層10と、第2導電形の第2半導体層20と、発光層30と、第1応力印加層22と、支持基板(金属層)40と、を備える。半導体発光素子110は、例えば、LED素子である。半導体発光素子110は、レーザダイオードでも良い。以下では、半導体発光素子110が、LEDである場合として説明する。
井戸層32及び障壁層34は、窒化物半導体結晶を含む。
井戸層32の面内方向の格子は、井戸層32の格子定数よりも小さい格子長を有する第1半導体層10の格子から圧縮応力を受ける結果、圧縮ひずみ(格子間隔の弾性的な伸縮)を含み、井戸層32の本来の面内方向の格子定数よりも小さい格子長を有する。
支持基板40は、第2半導体層20の発光層30とは反対側に設けられる。支持基板40は、導電性の金属層である。支持基板40には、例えば銅などの金属が用いられる。支持基板40と第2半導体層20との間に、反射金属90および接合金属の少なくともいずれかが挿入されることがある。図1に表した半導体発光素子110では、支持基板40と第2半導体層20との間に、反射金属90が挿入されている。
本願明細書において「上に」設けられることは、下側の層に接して上側の層が設けられる場合の他に、下側の層に、別の層を介して、上側の層が設けられる場合も含む。
図3(a)および図3(b)は、支持基板を含む積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
図4(a)および図4(b)は、窒化ガリウム結晶のラマンスペクトルを示すグラフ図である。
図2(a)および図3(a)は、実施形態にかかる半導体発光素子のLED積層構造に発生する応力を例示している。図2(b)および図3(b)は、参考例の半導体発光素子のLED積層構造に発生する応力を例示している。図4(a)は、窒化ガリウム結晶およびシリコン結晶のラマンスペクトルを示すグラフ図である。図4(b)は、シリコン基板上に成長した窒化物半導体結晶のラマンスペクトルとサファイア基板上に成長した窒化物半導体結晶のラマンスペクトルとの比較を示すグラフ図である。図4(a)および図4(b)の縦軸は、強度I(任意単位)を表す。図4(a)および図4(b)の横軸は、波数RS(cm−1)を表す。
図5に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子120では、シリコン基板50の上に、AlN層とAlGaN層とを有するバッファ層12(後の第2応力印加層となり得る層)が配置されている。バッファ層12の上には、厚さ300ナノメートル(nm)のnon−doped GaN層14をはさみ、厚さ15nmのAlN層(成長時応力調整層:後の第2応力印加層となり得る層)16が設けられている。AlN層16の上には、第1半導体層10が積層されている。第1半導体層10には、厚さ2マイクロメートル(μm)のn形GaN層18、及び厚さ1μmのnon−doped GaN層17が積層されている。
図6(a)は、他の積層構造の構成を示す模式的断面図である。図6(b)は、積層方向における位置と内部応力との関係の例を示すグラフ図である。本願明細書において「積層方向」とは、第1半導体層10から第2半導体層20へ向かう方向あるいは第2半導体層20から第1半導体層10へ向かう方向をいう。
半導体発光素子140では、図6に関して前述した半導体発光素子130と同様に、MQW構造を有する発光層30における複数の井戸層32の厚さは、第1半導体層10から第2半導体層20に向けて厚くなる。
図8(a)〜図10(f)は、図5に表した半導体発光素子構造を作製するプロセスを示す模式的断面図である。
但し、シリコン基板50の結晶の厚さは、これだけに限定されず、例えば250μm〜1000μm程度であってもよい。
Si基板50上に100nmのAlN層を積層したのち、基板温度を1100℃に設定しAl組成25%、厚さ250nmのAlGaN層を積層する。
このようにして形成されたAlN層およびAlGaN層は、図5に表したバッファ層12に相当する。
最後に、図9(d)に表したように、p形電極およびn形電極を形成して完成する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (14)
- 窒化物半導体結晶を含み(0001)面内に引張り応力を受けた第1導電形の第1半導体層と、
窒化物半導体結晶を含む第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、平均の格子定数が前記第1半導体層の格子定数よりも大きい発光層と、
前記第2半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記第1半導体層、前記発光層及び前記第2半導体層を支持する導電性の金属層と、
前記第2半導体層と前記発光層との間に設けられ、前記金属層から前記第2半導体層に印加される引張り応力を緩和する第1応力印加層と、
を備えた半導体発光素子。 - 窒化物半導体結晶を含み(0001)面内に引張りひずみを有する第1導電形の第1半導体層と、
窒化物半導体結晶を含む第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、平均の格子定数が前記第1半導体層の格子定数よりも大きい発光層と、
前記第2半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記第1半導体層、前記発光層及び前記第2半導体層を支持する導電性の金属層と、
前記第2半導体層と前記発光層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、格子定数が前記第1半導体層の格子定数よりも小さい第1応力印加層と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記発光層の平均の格子定数は、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向けて大きくなる請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、
複数の障壁層と、
それぞれが前記複数の障壁層同士の間に設けられた複数の井戸層と、
を含み、
前記複数の井戸層の厚さは、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向けて大きくなる請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1応力印加層は、格子定数が互いに異なる複数の層を含み、
前記複数の層の格子定数は、前記第2半導体層から前記発光層に向けて大きくなる請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、前記第1半導体層に圧縮応力を印加する第2応力印加層をさらに備えた請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2応力印加層の格子定数は、前記第1応力印加層の格子定数よりも小さい請求項6記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層は、GaNを含む請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2半導体層は、GaNを含む請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、InGaNを含む請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1応力印加層は、AlGaNを含む請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記金属層は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)およびアルミニウム(Al)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくともいずれか2つ以上を含む合金を含む請求項1〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2応力印加層は、AlNを含む請求項6または7に記載の半導体発光素子。
- 前記第2応力印加層は、AlGaNを含む請求項13記載の半導体発光素子。
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