JP4206086B2 - 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子を製造する方法 - Google Patents
窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子を製造する方法 Download PDFInfo
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Description
を備え、前記発光領域は、前記緩衝膜の直上に、接して形成されており、井戸膜を形成する前記工程では、InX1AlY1Ga1−X1−Y1N(1>X1>0、1>Y1>0)半導体膜を第1の温度で形成しており、バリア膜を形成する前記工程では、InX2AlY2Ga1−X2−Y2N(1>X2>0、1>Y2>0)半導体膜を第2の温度で形成しており、緩衝膜を形成する前記工程では、InX3AlY3Ga1−X3−Y3N(1>X3>0、1>Y3>0)緩衝膜を第3の温度で形成しており、前記第1及び第2の温度は前記第3の温度より高い。
図1は、第1の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す図面である。この窒化物半導体発光素子11は、第1導電型窒化物半導体層13と、第2導電型窒化物半導体層15と、発光領域17と、緩衝層19とを備える。第1導電型窒化物半導体層13および第2導電型窒化物半導体層15は、支持基体21上に設けられている。発光領域17は、第1導電型窒化物半導体層13と第2導電型窒化物半導体層15との間に設けられており、InAlGaN半導体からなる。好適な実施例では、発光領域17は、量子井戸構造23を有することができ、この量子井戸構造23は、一又は複数のInX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層25(1>X1>0、1>Y1>0)および複数のInX2AlY2Ga1−X2−Y2Nバリア層27(1>X2>0、1>Y2>0)を含む。井戸層25はバリア層27の間に設けられている。緩衝層19は、第1導電型窒化物半導体層13と発光領域17との間に設けられており、InX3AlY3Ga1−X3−Y3N(1>X3>0、1>Y3>0)半導体からなる。InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層25のインジウム組成X1はInX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層19のインジウム組成X3より小さい。また、InX2AlY2Ga1−X2−Y2Nバリア層27のインジウム組成X2はInX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層19のインジウム組成X3より小さい。
・第1導電型窒化物半導体層13:
Siドープn型Al0.18Ga0.82N、30ナノメートル、摂氏1080度にて成膜
・キャップ層:
アンドープ型Al0.18Ga0.82N、10ナノメートル、摂氏1030度にて成膜
・発光領域17: InAlGaN、
井戸層2.7ナノメートル
バリア層(InU1AlU2Ga1−U1−U2N)15ナノメートル
・緩衝層19:
InV1AlV2Ga1−V1−V2N、35ナノメートル
・支持基体21:
サファイア、摂氏1100度でH2クリーニング10分
・窒化物層29:
GaN半導体、25ナノメートル、摂氏475度にて成膜
Siドープn型GaN半導体、3.5マイクロメートル、摂氏1080度にて成膜
を有している。
図3(A)は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。窒化物半導体素子11aは、第1導電型窒化物半導体層13と第2導電型窒化物半導体層15との間に設けられた発光領域17aを有する。緩衝層19は、第1導電型窒化物半導体層13と発光領域17aとの間に設けられており、InX3AlY3Ga1−X3−Y3N(1>X3>0、1>Y3>0)半導体からなる。第1の実施の形態の窒化物半導体発光素子11と同様に、InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層25aのインジウム組成X1はInX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層19のインジウム組成X3より小さい。また、InX2AlY2Ga1−X2−Y2Nバリア層27aのインジウム組成X2はInX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層19のインジウム組成X3より小さい。窒化物半導体素子11aは、導電性窒化物支持基体20と、コンタクト層33とを含む。第1導電型窒化物半導体層13、緩衝層19、発光領域17a、第2導電型窒化物半導体層15およびコンタクト層33は、窒化物半導体支持基体20の一表面20a上に搭載されている。窒化物半導体支持基体20の他表面20b上には電極35が設けられており、コンタクト層33上には電極37が設けられている。導電性窒化物支持基体20としては、例えばn型GaN製支持基体を使用できる。GaN支持基体は、優れた熱伝導性および放熱性を有する。支持基体20として、低転位GaN(例えば、貫通転位密度<106cm−2)から成るGaN支持基体を使用できるので、発光領域における貫通転位密度を小さくできる。
・支持基体20:n型GaN半導体
・窒化物層29:
n型GaN半導体、2マイクロメートル
・第1導電型窒化物半導体層13:
Siドープn型Al0.18Ga0.82N半導体、100ナノメートル、摂氏1080度
・緩衝層19:
InAlGaN半導体(インジウム組成5パーセント)、35ナノメートル
・発光領域17a:
InAlGaN量子井戸構造(インジウム組成2パーセント)
井戸層:2.7ナノメートル、バリア層:15ナノメートル
・第2導電型窒化物半導体層15:
Mgドープp型Al0.27Ga0.73N半導体、25ナノメートル
・コンタクト層33:
Mgドープp型Al0.18Ga0.82N半導体、100ナノメートル
である。バリア層および緩衝層のバンドギャップは、3.76エレクトロンボルトである。この窒化物半導体発光素子を“D”として参照する。窒化物半導体発光素子Dに400ミリアンペアの電流を連続して加えた場合でも、窒化物半導体発光素子Dの発光出力の劣化は小さく、窒化物半導体発光素子Dは安定して動作する。また、井戸層およびバリア層のインジウム組成が5パーセントである窒化物半導体発光素子を“E”として参照する。発光波長350ナノメートルにおいて、窒化物半導体発光素子Dの発光パワーは窒化物半導体発光素子Eの発光パワーの2.5倍である。
以上説明したように、本実施の形態によれば、発光効率を向上できる窒化物半導体発光素子を製造する方法が提供される。
図6は、第3の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。窒化物半導体素子11bは、コンタクト層33に替えてコンタクト領域65を含む。第2導電型窒化物半導体層15は発光領域17aとコンタクト領域65との間に設けられる。コンタクト領域65は、複数の第1のAlGaN層67と、複数の第2のAlGaN層69とを含む。第1のAlGaN層67の組成は第1のAlGaN層69の組成と異なる。第1のAlGaN層67および第2のAlGaN層69は超格子構造を形成するように交互に配置されている。好適な実施例では、第1のAlGaN層67および第2のAlGaN層69の少なくともいずれか一方はp導電性を示す。このコンタクト領域65が超格子構造を有するので、このコンタクト領域65のホール濃度が高められる。また、窒化物半導体発光素子11bは、歪み緩和の能力が優れる緩衝層19と結晶品質が優れる発光領域17aとを有する。これ故に、窒化物半導体発光素子11bの発光効率は向上される。
図7(A)は、第4の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す図面である。窒化物半導体発光素子11cは、サファイア製支持基体71といった絶縁性支持基体と、バッファ層73と、第1導電型窒化物半導体層75と、緩衝層77と、発光領域17bと、第2導電型窒化物半導体層79と、コンタクト層81とを有する。バッファ層73上には、第1導電型窒化物半導体層75と、緩衝層77と、発光領域17bと、第2導電型窒化物半導体層79と、コンタクト層81とを含む窒化物半導体領域が形成される。サファイア製支持基体71は絶縁性支持基体の一例である。
以上説明したように、本実施の形態によれば、発光効率を向上された窒化物半導体発光素子が提供される。
図8(A)は、第5の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す図面である。窒化物半導体発光素子11dは、窒化アルミニウム製支持基体91といった絶縁性支持基体と、バッファ層93と、第1導電型窒化物半導体層75と、緩衝層77と、発光領域17bと、第2導電型窒化物半導体層79と、コンタクト層81とを有する。バッファ層93上には、第1導電型窒化物半導体層75と、緩衝層77と、発光領域17bと、第2導電型窒化物半導体層79と、コンタクト層81とを含む窒化物半導体領域が形成される。窒化アルミニウム製支持基体91は優れた熱伝導性を有するので、窒化物半導体発光素子11dは優れた放熱特性を有する。窒化アルミニウム製支持基体91は絶縁性支持基体の一例であり、絶縁性支持基体に替えて、GaZAl1−ZN(Zは0以上であり1未満)製支持基体を用いることができる。
図9は、第6の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す図面である。窒化物半導体発光素子11eは、金属製支持基体97を含む。金属製支持基体97上には、順に、コンタクト層33、第2導電型窒化物半導体層15、発光領域17a、緩衝層19および第1導電型窒化物半導体層13が設けられている。コンタクト層33と金属製支持基体97との間には、電極99が設けられている。発光領域17aは、紫外線領域の波長成分を含む光L5、L6を発生する。光L6は、電極99によって反射されて光L7になる。光L5およびL7は、第1導電型窒化物半導体層13の出射面13aから出射される。第1導電型窒化物半導体層13の出射面13a上には、電極101が設けられている。窒化物半導体発光素子11eでは、第2導電型窒化物半導体層15、発光領域17a、緩衝層19および第1導電型窒化物半導体層13を成長するための基板(例えばGaN基板)の材料とは異なっており窒化物半導体発光素子11eのための金属製支持基体97上に、コンタクト層33、第2導電型窒化物半導体層15、発光領域17a、緩衝層19および第1導電型窒化物半導体層15および電極99から成る構造物が搭載されている。
Claims (17)
- 紫外線領域の波長成分を含む光を発生する窒化物半導体発光素子であって、
支持基体上に設けられた第1導電型窒化物半導体層と、
支持基体上に設けられた第2導電型窒化物半導体層と、
前記第1導電型窒化物半導体層と前記第2導電型窒化物半導体層との間に設けられており、InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層(1>X1>0、1>Y1>0)およびInX2AlY2Ga1−X2−Y2Nバリア層(1>X2>0、1>Y2>0)を含む発光領域と、
前記発光領域と前記第1導電型窒化物半導体層との間に設けられているInX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層(1>X3>0、1>Y3>0)と
を備え、
前記発光領域は、前記In X3 Al Y3 Ga 1−X3−Y3 N緩衝層の直上に、接して形成されており、
前記InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層のインジウム組成X1は、前記InX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層のインジウム組成X3より小さく、
前記InX2AlY2Ga1−X2−Y2Nバリア層のインジウム組成X2は、前記InX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層のインジウム組成X3より小さい、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記InX2AlY2Ga1−X2−Y2Nバリア層と前記InX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層との間のエネルギギャップ差が1.92×10−20ジュール以下である、ことを特徴とする請求項1に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層のインジウム組成X1が、0より大
きく0.03未満であり、
前記InX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層のインジウム組成X3は、0.10より小さい、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層のアルミニウム組成Y1が、0.05より大きく、
前記InX1AlY1Ga1−X1−Y1N井戸層のアルミニウム組成Y1が、0.15未満であり、
前記発光領域は、340ナノメートル以上360ナノメートル以下の波長領域内の波長の光を発生する量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項3に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記InX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層の厚みが、10ナノメートル以上であり、
前記InX3AlY3Ga1−X3−Y3N緩衝層の厚みが、100ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記第2導電型窒化物半導体層はp導電型を有しており、
前記発光領域は、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長より小さい第1の波長成分を含む光を発生することができ、
前記第2導電型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギは、前記第1の波長成分に対応するエネルギより大きい、ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 一または複数の第1のAlGaN半導体層と、
一または複数の第2のAlGaN半導体層と
をさらに備え、
前記第1のAlGaN半導体層および前記第2のAlGaN半導体層の少なくともいずれかはp導電型を示しており、
前記第2のAlGaN半導体層の組成は、前記第1のAlGaN半導体層の組成と異なり、
前記第2導電型窒化物半導体層はp導電型を有し、
前記第1のAlGaN半導体層と前記第2のAlGaN半導体層とは、超格子構造を形成するように配置されている、ことを特徴とする請求項6に記載された窒化物半導体発光素子。 - 電極が設けられており前記発光領域からの光が出射される出射面を有する別の第2導電型窒化物半導体層をさらに備え、
前記支持基体はサファイア支持基体であり、
前記第1導電型窒化物半導体層、前記発光領域、前記第2導電型窒化物半導体層および別の第2導電型窒化物半導体層は、前記サファイア支持基体の第1の面上に順に搭載されており、
前記第1導電型窒化物半導体層のバンドギャップに対応するエネルギは、前記発光領域が発生する光の波長に対応するエネルギより大きい、ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記支持基体はサファイア支持基体であり、
前記第1導電型窒化物半導体層のバンドギャップのエネルギは、前記発光領域が発生する光の波長に対応するエネルギより大きく、
前記サファイア支持基体は、前記第1導電型窒化物半導体層、前記第2導電型窒化物半導体層および前記発光領域が搭載された第1の面と、前記発光領域からの光が出射する第2の面とを有することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 電極が設けられており前記発光領域からの光が出射される出射面を有する別の第2導電型窒化物半導体層をさらに備え、
前記支持基体がGaZAl1−ZN(Zは0以上1以下である)からなり、
前記第1導電型窒化物半導体層、前記発光領域、前記第2導電型窒化物半導体層および前記別の第2導電型窒化物半導体層は、前記支持基体の第1の面上に順に搭載されている、ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記支持基体がGaZAl1−ZN(Zは0以上1未満である)からなり、
前記第1導電型窒化物半導体層のバンドギャップのエネルギは、前記発光領域が発生する光の波長に対応するエネルギより大きく、
前記GaZAl1−ZN支持基体は、前記第1導電型窒化物半導体層、前記第2導電型窒化物半導体層および前記発光領域が搭載された第1の面と、前記発光領域からの光が出射する第2の面とを有することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記支持基体はGaN支持基体である、ことを特徴とする請求項10に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記支持基体はAlN支持基体である、ことを特徴とする請求項10または請求項11に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記支持基体は金属製支持基体であり、
前記第2導電型窒化物半導体層、前記発光領域および前記第1導電型窒化物半導体層は前記金属製支持基体の第1の面上に順に搭載されており、前記第1導電型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギは、前記発光領域が発生する光の波長に対応するエネルギより大きい、ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 紫外線領域の波長成分を含む光を発生する窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、
第1導電型窒化物半導体膜を基板上に形成する工程と、
緩衝膜を形成する工程と、
発光領域のための井戸膜を形成する工程と、
前記発光領域のためのバリア膜を形成する工程と、
前記発光領域上に第2導電型窒化物半導体膜を形成する工程と
を備え、
前記発光領域は、前記緩衝膜の直上に、接して形成されており、
井戸膜を形成する前記工程では、InX1AlY1Ga1−X1−Y1N(1>X1>0、1>Y1>0)半導体膜を第1の温度で形成しており、
バリア膜を形成する前記工程では、InX2AlY2Ga1−X2−Y2N(1>X2>0、1>Y2>0)半導体膜を第2の温度で形成しており、
緩衝膜を形成する前記工程では、InX3AlY3Ga1−X3−Y3N(1>X3>0、1>Y3>0)緩衝膜を第3の温度で形成しており、
前記第1の温度および前記第2の温度は前記第3の温度より高いことを特徴とする方法。 - 前記第2導電型窒化物半導体膜および金属製基板の一方を他方に接着する工程と、
接着した後に、前記基板および前記第1導電型窒化物半導体膜の一方から他方を分離する工程と
をさらに備え、
前記基板はGaN基板であることを特徴とする請求項15に記載された方法。 - 前記第1導電型窒化物半導体膜を基板上に形成することに先だって、前記基板上に犠牲膜を形成する工程と、
前記第2導電型窒化物半導体膜を前記発光領域上に形成した後に、前記第1導電型窒化物半導体膜から前記基板を前記犠牲膜を用いてリフトオフする工程を備えることを特徴とする請求項15に記載された方法。
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