JP2017028032A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 n型層とp型層との間に活性層を含み、前記p型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子であって、前記n型層上にn電極、前記p型層上に、第一金属層、導電層、および第二金属層がこの順に積層されているp電極を有し、前記導電層の比抵抗が、前記第一金属層の比抵抗よりも高いIII族窒化物半導体素子。
【選択図】 図9A
Description
基板11は、III族窒化物半導体結晶を表面にエピタキシャル成長でき、紫外線を透過する基板であれば特に限定されるものではない。基板11に用いられる材料としては、例えば、サファイア、SiC(炭化ケイ素)、AlN(窒化アルミニウム)、Si(シリコン)などが挙げられる。中でもc面を主面とするAlN単結晶基板が好ましい。
積層半導体層(図1におけるメサ構造15を含む素子の主要部)は、図1に示すように基板11上に形成され、n型層12、活性層13ならびにp型層14(p型クラッド層およびp型コンタクト層からなる層)がこの順で積層されている。各層について以下に非限定的例を説明する。
n型層12は、AlxInyGazN(x、y、zは、0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0を満たす有理数とし、x+y+z=1.0である)で構成されるIII族窒化物半導体であり、好ましくは不純物を含む。
活性層13は、AlxInyGazN(x、y、zは、0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0を満たす有理数とし、x+y+z=1.0である)で構成される井戸層と、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいAlxInyGazN(x、y、zは、0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0を満たす有理数とし、x+y+z=1.0である)で構成される障壁層との積層構造からなる。活性層は、多重量子井戸構造であっても単一量子井戸構造であってもよい。
p型層14は、p型クラッド層およびp型コンタクト層で構成される。p型クラッド層は、AlxInyGazN(x、y、zは、0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0を満たす有理数とし、x+y+z=1.0である)で構成されるIII族窒化物半導体であり、好ましくは不純物を含む。
n電極16は、n型層12の露出面に形成される。n型層の露出面はエッチング等の手段により形成される。n型層の露出面形成により、積層半導体層は台地状に残り、メサ構造15が形成される。n型層上のn電極はメサ構造の低地部に、メサ構造の下端に沿って形成されるが、メサ構造の底部からやや距離をあけ、メサ構造15とn電極16との間にn型層12が露出した構造であってもよい。
本発明のp電極17は、p型電極構造30からなる。p型電極構造30では、第一金属層18、導電層19、第二金属層20がこの順に積層されている。本発明者の検討によれば、III族窒化物半導体素子のp電極17が、第一金属層18、導電層19、および第二金属層20をこの順に積層してなるp型電極構造30を有することにより、電流集中を抑制し、発光効率の低下を抑制できることを見出した。
第一金属層18は、p型層14にオーミック接触するように形成される。
導電層19は、第一金属層上に形成される。
第二金属層20は、導電層上に形成される。
図8に示したように、従来のIII族窒化物半導体発光素子41では、p電極17は、台地状のメサ構造15の上部に位置するp型層14上に、メサ構造15とほぼ相似形に形成される。n電極16はメサ構造15から見て下方の低地部に形成されている。n電極16とp電極17との導通は、抵抗の低い経路が優先されるため、電流はn電極とp電極との最短距離にあるメサ構造15の端部付近の領域に集中しやすい。
Ls={(ρc+ρptp)tn/ρn}1/2
接触抵抗はTLM(Transfer Length Method)法により測定する。まず、半導体素子の製造方法と同様の方法により、p−GaN層の表面にドーナツ状の第二金属層不形成領域を有するp電極パターンを形成する(電極間距離:5、10、20、40、60、80、100μm)。得られた電極パターンを用いて、各電極間距離における抵抗値を測定し、電極間距離と抵抗値との関係からp電極/p型層間の接触抵抗を算出する。
半導体素子の製造方法と同様の方法を用いて、7mm角のp−GaN層、p−AlGaN層およびn−AlGaN層の表面四隅に直径1.5mmの円形のp型電極構造を有するp電極およびn電極をそれぞれ4つ形成する。得られたサンプルについてホール効果測定を行うことで、p型層(p−GaN層、p−AlGaN層)およびn型層(n−AlGaN層)の比抵抗を算出する。
図2Bは、十字状のメサ構造15を示す。この構造でも十字の各頂点がn電極の形成領域に突出している。
図2Cは、十字状の端部に丸みを帯びた形状のメサ構造15を示す。この構造でも十字の端部はn電極の形成領域に突出している。
図2Dは、櫛状のメサ構造15を示す。この構造でも櫛の各先端や、矩形の頂点はn電極の形成領域に突出している。
図2Eは、図2Dの変形例であり、櫛の背からも櫛歯状に電極が延在する構造を示す。
図2Fは、n電極が線状部分を有し、さらに、n電極を形成する櫛の背からも電極が延在する構造を示す。
図2Gは、櫛状のメサ構造を囲繞する櫛状のn電極が形成された状態を示す。
評価パラメータ=(n電極面積/メサ構造面積)×100(%)
メサ端上の任意の点を中心点として、定義円を描く。定義円内の各部の面積により計算される評価パラメータが100%を超える場合には、当該定義円の中心は「メサ端の突部」に位置すると判定される。メサ端の突部に位置すると判定された場合、当該円の中心と、第二金属層20の外周との距離が拡散長Lsの1/3以上(絶対距離としては20μm以上)となる範囲に第二金属層20を設ける。換言すると、円の中心から拡散長Lsの1/3未満(絶対距離としては20μm未満)の範囲は、第二金属層制限領域とする。
上記III族窒化物半導体素子の構成を含むウエハを製造した後、透光性基板の下面を研削または研磨することにより、透光性基板の厚みを薄くして透過率を向上させることもできる。その後、スクライビング、ダイシング、レーザ溶断など、公知の半導体素子分離方法を適宜用いて、半導体素子を製造する。
図1に示した断面構造を有する積層半導体層を形成した。
まず、MOCVD法を用いて、C面AlN基板(一辺7mm角、厚み500μm)上に、Siを1.0×1019 [cm−3]ドープしたAl0.7Ga0.3N層(厚み1μm)をn型半導体層として形成した。このn型層上に、量子井戸構造を有する活性層(井戸層:厚み2nm、障壁層:厚み7nm)を形成した。この時、井戸層および障壁層の組成はそれぞれAl0.5Ga0.5NおよびAl0.7Ga0.3Nとし、障壁層には1.0×1018 [cm−3]のSiをドープした。活性層は、井戸層3層と障壁層4層の積層構造から成る。
実施例1における導電層をTi層からITO層に代えた以外は、実施例1と同様の操作を行い、III族窒化物半導体発光素子を作製した。このとき導電層であるITO層の比抵抗の値は4.0×10−4Ωcmであり、第一金属層の比抵抗の値は1.0×10−5Ωcmであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は150mA通電時において、265nmであった。
実施例1における導電層をTi層からAZO層に代えた以外は、実施例1と同様の操作を行い、III族窒化物半導体発光素子を作製した。このとき導電層であるAZO層の比抵抗の値は2.3×10−4Ωcmであり、第一金属層の比抵抗の値は1.0×10−5Ωcmであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は150mA通電時において、265nmであった。
実施例3において、図9Bに示すように、メサ端が突出した部分のみにおいて、メサ端と第二金属層との外周との距離を40μmとし、その他の部分においては、メサ端と第二金属層との外周との距離を20μm未満とした以外は、実施例1と同様の操作を行い、III族窒化物半導体発光素子を作製した。AZO層の比抵抗の値は2.3×10−4Ωcmであり、第一金属層の比抵抗の値は1.0×10−5Ωcmであった。また、得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電すると均一に発光し、発光波長は150mA通電時において、265nmであった。
実施例1において、導電層を設けず、第一金属層上に直接、第二金属層を形成した以外は、実施例1と同様の方法でIII族窒化物半導体発光素子を作製した。得られたIII族窒化物半導体発光素子は、通電するとメサ端付近で強く発光したが、その他の部分では発光が弱く、発光ムラがあった。
以上の実施例1〜4、および比較例1で得られたIII族窒化物半導体発光素子の光出力の評価を積分球にて行った。光出力測定評価は、全て150mA通電にて行った。その結果を表1にまとめた。なお、表1には、比較例1で作製したIII族窒化物半導体発光素子の発光効率を1とし、それに対してその他の半導体発光素子の発光効率が何倍となったかの比率(実施例1〜3の素子の発光効率/比較例1の発光効率)を示した。
12…n型層
13…活性層
14…p型層
15…メサ構造
16…n電極
17…p電極
18…第一金属層
19…導電層
20…第二金属層
30…p型電極構造
40…本発明のIII族窒化物半導体(発光)素子
41…典型的なIII族窒化物半導体(発光)素子
Claims (10)
- n型層とp型層との間に活性層を含み、前記p型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子であって、
前記n型層上にn電極、
前記p型層上に、第一金属層、導電層、および第二金属層がこの順に積層されているp電極を有し、
前記導電層の比抵抗が、前記第一金属層の比抵抗よりも高いIII族窒化物半導体素子。 - 前記導電層の厚みが0.05μm以上20μm以下であって、
前記導電層の比抵抗が0.1×10−4〜1.0×10−2Ωcmである請求項1に記載のIII族窒化物半導体素子。 - 前記第一金属層が、前記p型層にオーミック接触する層であり、
単一のあるいは2種以上の金属により構成される請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体素子。 - 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離が、拡散長Lsの1/3以上である請求項1〜3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
- 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離が、拡散長Lsの1/3以上である請求項1〜3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
- 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端と前記第二金属層の外周との距離が、20μm以上である請求項1〜3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
- 前記III族窒化物半導体素子の上面視において、メサ端の少なくとも突部と前記第二金属層の外周との距離が、20μm以上である請求項1〜3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子。
- 発光ピーク波長が200〜350nmである請求項1〜7の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- n型層とp型層との間に活性層を含み、前記p型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体素子の構成を含むウエハであって、
前記III族窒化物半導体素子の構成が請求項1〜7のいずれかに記載の構成であるウエハ。 - n型層とp型層との間に活性層を含み、前記p型層を含むメサ構造を有するIII族窒化物半導体発光素子の構成を含むウエハであって、
前記III族窒化物半導体発光素子の構成が請求項8に記載の構成であるウエハ。
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