JP6181661B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。
従来において、窒化物半導体発光素子に用いられる基板としては、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板およびサファイア基板などが挙げられるが、なかでも価格および量産性の点で優位性を持つサファイア基板が広く用いられている。
しかしながら、従来においては、サファイア基板と、ＧａＮなどの窒化物半導体層との間の格子不整合率により、サファイア基板上にＧａＮなどの窒化物半導体層を成長するのが難しいという問題があった。
そこで、たとえば特許文献１（特開平６−１９６７５７号公報）においては、サファイア基板上に低温ＧａＮバッファ層を形成することにより、低温ＧａＮバッファ層上に高品質のＧａＮ層を成長させる方法が提案されている。
しかしながら、サファイア基板上に低温ＧａＮバッファ層を形成した場合であっても、低温ＧａＮバッファ層上に成長するＧａＮ層の貫通転位は、依然として、１×１０18個／ｃｍ2以上の密度で存在する。
このような貫通転位は、窒化物半導体発光ダイオード素子におけるリーク電流の増加および発光効率の低下を招くとともに、窒化物半導体レーザ素子における短寿命化を招く。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、貫通転位を低減することにより特性を向上す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。
本発明は、基板と、基板上に設けられた第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられた発光層と、発光層上に設けられた第２の窒化物半導体層と、を備え、第１の窒化物半導体層は、シリコンが２×１０１９個／ｃｍ３以上の高濃度にドープされた高濃度シリコンドープ層と、高濃度シリコンドープ層上に貫通転位を横方向に曲げるための転位低減層とを含み、高濃度シリコンドープ層から発光層側に向かってシリコン濃度が低下していき、高濃度シリコンドープ層の発光層側の表面から発光層側に向かって１．５μｍの箇所のシリコン濃度が１×１０ １７ 個／ｃｍ ３ 以上である、窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、貫通転位を低減することにより特性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することができる。
本発明によれば、貫通転位を低減することにより特性を向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。図１に示すように、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１上に設けられた第１の窒化物半導体層２と、第１の窒化物半導体層２上に設けられた発光層３と、発光層３上に設けられた第２の窒化物半導体層４とを備えている。また、第１の窒化物半導体層２上には、第１の電極６が形成されており、第２の窒化物半導体層４上には、第２の電極５が形成されている。なお、第１の窒化物半導体層２、発光層３および第２の窒化物半導体層４は、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などによって形成することができ、第１の電極６および第２の電極５は、たとえば蒸着法などによって形成することができる。
図２に、図１に示す基板１と第１の窒化物半導体層２の模式的な拡大断面図を示す。図２に示すように、基板１の凹凸表面上にはバッファ層１１が形成されており、基板１の凹部のバッファ層１１上には斜めファセット層１２が形成されている。また、斜めファセット層１２の間の空間を埋めるようにして第１の埋め込み層１３が形成されており、斜めファセット層１２および第１の埋め込み層１３の表面上には高濃度シリコンドープ層１４が形成されている。また、高濃度シリコンドープ層１４上には転位低減層１５が形成されており、転位低減層１５上には第２の埋め込み層１６が形成されている。さらに、第２の埋め込み層１６上には導電層１７が形成されている。
基板１としては、たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板またはスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板などを用いることができる。なかでも、基板１としては、安価であり、かつ透明であるサファイア基板を用いることが好ましい。また、たとえば図２に示すように、サファイア基板からなる基板１の表面に凹凸形状を設けた場合には、実施の形態のが窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を向上することができ、また、初期成長時に斜めファセット層１２を形成しやすくなる。
バッファ層１１としては、ＧａＮ（窒化ガリウム）層またはＡｌＮ（窒化アルミニウム）層を用いることが好ましい。バッファ層１１にＧａＮ層またはＡｌＮ層を用いた場合には、バッファ層１１上に低転位の窒化物半導体層を形成することができる。特に、バッファ層１１にＡｌＮ層を用いた場合には、バッファ層１１上に成長させた窒化物半導体層の螺旋転位を効果的に低減することができ、バーガーズベクトルの異なる２種類の別の転位を両方とも低減することができる。そのため、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
斜めファセット層１２としては、たとえば、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体を用いることができる。
第１の埋め込み層１３としては、たとえば、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体を用いることができる。
高濃度シリコンドープ層１４としては、たとえば、Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎz3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の式で表わされる窒化物半導体にＳｉを２×１０19個／ｃｍ3以上の高濃度にドープしたものを用いることができる。また、転位低減層１５としては、たとえば、Ａｌx4Ｇａy4Ｉｎz4Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｘ４＋ｙ４＋ｚ４≠０）の式で表わされる窒化物半導体を用いることができる。
Ｓｉを２×１０19個／ｃｍ3以上の高濃度にドープした高濃度シリコンドープ層１４を形成することにより、高濃度シリコンドープ層１４上に窒化物半導体層の３次元成長が促進され、斜めファセットを有する転位低減層１５を形成することができる。斜めファセットを有する転位低減層１５を３次元成長により形成することにより、基板１と基板１上に形成される窒化物半導体層との間の格子不整合によって形成された貫通転位を横に曲げることができるため、転位低減層１５を転位低減層として機能させることができる。なお、転位低減層１５は、高濃度シリコンドープ層１４からの貫通転位を曲げることにより、転位低減層１５上の第２の埋め込み層１６に引き継がれる貫通転位の数を１つでも減らせればよい。
また、成長モードを３次元成長に変化させるためには、表面エネルギーを変化させるＳｉが転位低減層１５の成長中に這い上がることが好ましい。そのため、Ｓｉ濃度が成長方向（発光層側）に向かって徐々にＳｉ濃度を落としながら拡散し、高濃度シリコンドープ層１４の発光層３側の表面から発光層３側に向かって１．５μｍの箇所のＳｉ濃度が１×１０17個／ｃｍ3以上であることが好ましい。この場合には、転位低減層１５における転位の低減を効果的に行なうことができる。なお、高濃度シリコンドープ層１４上に転位低減層１５を３次元成長させるときには、転位低減層１５には意図的にＳｉをドープする必要はない。また、Ｓｉ濃度の低下は、たとえば、連続的および／または段階的であればよい。
また、高濃度シリコンドープ層１４の厚さは０．５μｍ以下であることが好ましい。この場合には、高濃度シリコンドープ層１４に引張応力が過剰に加えられないため、高濃度シリコンドープ層１４の結晶性を良好なものとすることができる。
また、転位低減層１５をＭＯＣＶＤ法で成長させる場合には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）に対するアンモニア（ＮＨ3）のモル比を２５０以下とすることによって、転位低減層１５を構成する窒化物半導体結晶のグレインサイズが大きくなり、グレインの会合頻度が少なくなるため、転位を効果的に低減することができる。
なお、高濃度シリコンドープ層１４中のＳｉ濃度は、たとえばＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）などによって求めることができる。また、転位低減層１５における転位の方向は、たとえばＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）またはＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）などによって転位低減層１５を観察することにより求めることができる。
第２の埋め込み層１６としては、たとえば、Ａｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｘ５＋ｙ５＋ｚ５≠０）の式で表わされる窒化物半導体を用いることができるが、第２の埋め込み層１６の表面を平坦にする観点からは、第２の埋め込み層１６にマグネシウム（Ｍｇ）をドープすることが好ましい。また、第２の埋め込み層１６にドープされるＭｇ濃度は、５×１０18個／ｃｍ3以上５×１０19個／ｃｍ3以下であることが好ましい。第２の埋め込み層１６中のＭｇ濃度が、５×１０18個／ｃｍ3以上５×１０19個／ｃｍ3以下である場合には、第２の埋め込み層１６の表面をより平坦にすることができるとともに、第２の埋め込み層１６の白濁を効果的に防止し、良好な結晶性を有するものとすることができる。
導電層１７としては、たとえば、Ａｌx6Ｇａy6Ｉｎz6Ｎ（０≦ｘ６≦１、０≦ｙ６≦１、０≦ｚ６≦１、ｘ６＋ｙ６＋ｚ６≠０）の式で表わされる窒化物半導体にｎ型不純物をドープしたものなどを用いることができる。ｎ型不純物としては、たとえばＳｉおよび／またはＧｅ（ゲルマニウム）を用いることができる。
導電層１７上には発光層３を形成することができる。発光層３としては、たとえば、Ａｌx7Ｇａy7Ｉｎz7Ｎ（０≦ｘ７≦１、０≦ｙ７≦１、０≦ｚ７≦１、ｘ７＋ｙ７＋ｚ７≠０）の式で表わされる窒化物半導体を用いることができる。なお、発光層３を構成する窒化物半導体の組成を適宜変更し、バンドギャップを変更することによって、発光層３から放出される光の波長を適宜調整することができる。なお、発光層３の下には、バンドギャップを周期的に変更した多層膜を形成することもできる。また、発光層３は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれを採用してもよい。
発光層３上にはｐ型窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層４を形成することができる。第２の窒化物半導体層４としては、たとえば、Ａｌx8Ｇａy8Ｉｎz8Ｎ（０≦ｘ８≦１、０≦ｙ８≦１、０≦ｚ８≦１、ｘ８＋ｙ８＋ｚ８≠０）の式で表わされる窒化物半導体にｐ型不純物をドープしたものなどを用いることができる。ｐ型不純物としては、たとえばＭｇおよび／またはＺｎ（亜鉛）を用いることができる。また、第２の窒化物半導体層４には、バンドギャップの大きいｐ型窒化物半導体からなるキャリアブロック層が含まれていてもよく、ｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ型窒化物半導体からなるコンタクト層が含まれていてもよい。
以上のようにして積層された第２の窒化物半導体層４の表面には、たとえば図３の模式的拡大断面図に示すようなマクロステップ２１が形成されている。マクロステップ２１は転位低減層１５を第２の埋め込み層１６で埋め込んだ時点で形成されており、マクロステップ２１によって窒化物半導体発光素子の発光効率を落とすことなく、発光層３から発光される光の半値幅を大きくすることができる。なお、マクロステップ２１は、成長面に対して傾斜した面であり、高濃度シリコンドープ層１４を配置することに起因して発生するものである。
たとえば、発光層３から発光される光の波長を青色領域に設定し、緑色および赤色の蛍光体を使って、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）装置を作製する場合には、蛍光体による発光波長は非常にブロードであるが、従来の青色光の発光波長は、半値幅が２０ｎｍ程度と非常に狭いため、青色光の色再現性が悪い、演色性が悪い、および人間の目に対する安全性が低いなどの問題があった。
一方、マクロステップ２１によって、発光層３から発光される青色光の発光波長がブロードになった場合には、青色光の色再現性がよく、演色性がよく、および人間の目に対する安全性が高い白色ＬＥＤ装置を作製することができる。
実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子のドミナント発光波長（人間が目で見たときに感じる単波長）は、４２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下であることがより好ましい。この場合には、人間の目には、発光層３から発光される青色光の色再現性および演色性が良好であるように感じるとともに、人間の目に対する安全性も高めることができる。
実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子のエレクトロルミネッセンス発光（電流の注入により発光層３から発光される光）の半値幅は、２５ｎｍ以上であることが好ましい。この場合には、人間の目には、発光層３から発光される青色光の色再現性および演色性が良好であるように感じるとともに、人間の目に対する安全性も高めることができる。
なお、マクロステップ２１を設けることによって、発光層３から発光される青色光の発光波長がブロードになり、半値幅が広くなる理由は不明であるが、マクロステップ２１により非常に低角に表面が傾斜している部分があるため、その部分の発光波長が微妙にシフトし、発光波長がブロードになって、半値幅が広くなるものと推察される。
また、マクロステップ２１の高さＨは、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。マクロステップ２１の高さＨが２０ｎｍ以上である場合には、発光層３から発光される光の発光波長をよりブロードにすることができるとともに、半値幅もより広げることができる。また、マクロステップ２１の高さＨが３００ｎｍ以下である場合には、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を抑えることができる傾向にある。
また、マクロステップ２１の横方向の幅Ｗは、４０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。マクロステップ２１の横方向の幅Ｗが４０μｍ以上である場合には、実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を抑えることができる傾向にある。また、マクロステップ２１の横方向の幅Ｗが３００μｍ以下である場合には、発光層３から発光される光の発光波長をよりブロードにすることができるとともに、半値幅もより広げることができる。
マクロステップ２１の高さＨおよび横方向の幅Ｗは、導電層１７の表面を段差計なぞることによって測定することができる。
なお、第２の窒化物半導体層４の表面上にはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの導電性酸化膜を形成することもできる。導電性酸化膜を形成した場合には、導電性酸化膜上にｐ電極となる第２の電極５を形成し、メサエッチングによって導電層１７の表面を露出させた後に導電層１７の露出面上にｎ電極となる第１の電極６を形成することができる。また、第１の電極６および第２の電極５に金属ワイヤをボンディングすることもできる。
まず、図４の模式的断面図に示すように、サファイア基板１０１の表面に凹凸を形成した。ここで、サファイア基板１０１の表面の凹凸は、平坦なサファイア基板１０１の表面にステッパーなどを用いてレジストをパターニングし、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma）によりエッチングすることによって形成された。
次に、サファイア基板１０１をスパッタ製膜装置内にセットし、スパッタ製膜装置内に窒素ガスを流すことによって、サファイア基板１０１の表面を窒化した。その後、温度を５００℃とし、スパッタ製膜装置内の圧力を０．５Ｐａに保持した状態で、スパッタ製膜装置内に窒素ガスを５ｓｃｃｍ流しながら、高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加した。これにより、図５の模式的断面図に示すように、サファイア基板１０１の表面上にＡｌＮ膜１０２をスパッタリング法により形成した。
サファイア基板１０１を冷却した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＡｌＮ膜１０２の形成後のサファイア基板１０１をセットした。その後、温度９９０℃でＶ族源としてのＮＨ3およびＩＩＩ族源としてのＴＭＧをＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に供給することによって、図６の模式的断面図に示すように、高さ１．７μｍの斜めファセットを有するＧａＮからなる斜めファセット層１０３をＭＯＣＶＤ法により成長させた。このとき、斜めファセット層１０３の斜めファセットの角度は、成長面に対しておおよそ６０°であった。また、斜めファセット層１０３は、サファイア基板１０１の表面の凹凸の凹部の上面のみに成長した。
次に、温度１２００℃で、Ｖ族源としてのＮＨ3およびＩＩＩ族源としてのＴＭＧは上記と同様に供給して、図７の模式的断面図に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、斜めファセット層１０３の間の窪みをＧａＮからなる第１の埋め込み層１０４で埋め込んだ。第１の埋め込み層１０４の厚さは０．５μｍであり、第１の埋め込み層１０４は斜めファセット層１０３の途中まで埋め込まれた。
次に、温度１２５５℃で、ＴＭＧの供給を止め、ＩＶ族源としてのＳｉＨ4およびＶ族源としてのＮＨ3を１９．５分間供給することによって、図８の模式的断面図に示すように、斜めファセット層１０３および第１の埋め込み層１０４の表面に高濃度シリコンドープ層１０５をＭＯＣＶＤ法により成長させた。
次に、温度を維持した状態で、ＳｉＨ4の供給を止め、Ｖ族源としてのＮＨ3およびＩＩＩ族源としてのＴＭＧを供給することによって、ＴＭＧに対するＮＨ3のモル比を１２０とし、図９の模式的断面図に示すように、高濃度シリコンドープ層１０５の表面上に、斜めファセットを有するＧａＮからなる転位低減層１０６をＭＯＣＶＤ法により３μｍの厚さで３次元成長させた。
次に、温度を維持した状態で、Ｖ族源としてのＮＨ3、ＩＩＩ族源としてのＴＭＧ、およびＩＩ族源としてのＣＰ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を供給することによって、図１０の模式的断面図に示すように、転位低減層１０６の表面上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなる第２の埋め込み層１０７をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ここで、ＴＭＧに対するＮＨ3のモル比は４４０に調整され、第２の埋め込み層１０７中のＭｇ濃度は２×１０19個／ｃｍ3とされ、第２の埋め込み層１０７の厚さは２．２μｍとされた。
次に、温度を維持した状態で、ＣＰ2Ｍｇの供給を止め、Ｖ族源としてのＮＨ3、ＩＩＩ族源としてのＴＭＧおよびＩＶ族源としてのＳｉＨ4を供給することによって、図１１の模式的断面図に示すように、第２の埋め込み層１０７の表面上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなる導電層１０８をＭＯＣＶＤ法により成長させた。ここで、導電層１０８中のＳｉ濃度は５×１０18個／ｃｍ3とされ、導電層１０８の厚さは０．５μｍとされた。
以上の工程を経ることにより、サファイア基板上に第１の窒化物半導体層が積層されてなる実施例１のテンプレート基板を作製した。なお、上記の温度はいずれも、カーボンサセプタに接触している熱電対温度を示している。
図１２に、実施例１のテンプレート基板のＳＩＭＳによる分析結果を示し、図１３に、実施例１のテンプレート基板のＣＬ（カソードルミネッセンス）像を示し、図１４に、実施例１のテンプレート基板のＳＴＥＭ像を示す。
図１２のＳＩＭＳによる分析結果に示されるように、高濃度シリコンドープ層１０５の形成時に、実施例１のテンプレート基板中にＳｉが取り込まれており、Ｓｉが成長方向に拡散することにより転位低減層１０６の３次元成長が促進されることが確認された。
また、図１４のＳＴＥＭ像に示されるように、転位低減層１０６において転位が横方向に曲がっており、バーガーズベクトルが異なる転位同士が会合し、ハーフループを形成して消滅することによって、転位が低減することが確認された。その結果、図１３の実施例１のテンプレート基板のＣＬ像に示されるように、従来は、１×１０8個／ｃｍ2程度であった転位が１×１０7個／ｃｍ2程度に低減できることが確認された。
また、第２の埋め込み層１０７の形成時にＭｇを供給しなかった場合には、第２の埋め込み層１０７の表面が平坦とならずにピットが形成されることが確認された。したがって、第２の埋め込み層１０７の形成時にＭｇを供給することによって、第２の埋め込み層１０７の表面の平坦化が促進されることが確認された。
実施例１のテンプレート基板上に、発光層および第２の窒化物半導体層を形成することによって、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
まず、実施例１のテンプレート基板をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、図１５の模式的断面図に示すように、温度１２５５℃で、Ｓｉドープｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ法によりさらに成長させて、導電層１０８の厚さを３μｍとした。次に、温度を９３８℃まで低下させ、厚さが１．５ｎｍのＧａＮ層と、厚さが１．５ｎｍのＩｎＧａＮ層とを１層ずつ交互に２０周期成長させて、導電層１０８上に、超格子層１０９をＭＯＣＶＤ法により成長させた。
次に、温度を８１６℃まで低下させ、厚さが７．５ｎｍのＧａＮ障壁層と、厚さが３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層とを交互に１層ずつ６周期成長させて、超格子層１０９上に、発光層１１０をＭＯＣＶＤ法により成長させた。
次に、温度を１２２３℃まで上昇させ、アンドープＡｌＧａＮ層、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層およびアンドープＡｌＧａＮ層の３層構造からなるキャリアブロック層１１１を発光層１１０上にＭＯＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍに成長させた。
次に、温度を維持した状態で、キャリアブロック層１１１上に、厚さ６５ｎｍのアンドープＧａＮ層１１２をＭＯＣＶＤ法により成長させた。次に、温度を１２３８℃まで上昇させ、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１３をアンドープＧａＮ層１１２上にＭＯＣＶＤ法により成長させた。
次に、コンタクト層１１３形成後の実施例１のテンプレート基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、Ｍｇをｐ型不純物として活性化させるためのアニールをアニール炉内で８００℃で熱処理することによって行なった後に、フッ酸でコンタクト層１１３の表面クリーニングを行なった。
その後、図１６の模式的断面図に示すように、ｐ電極としてｐｄ電極１１４をコンタクト層１１３上に蒸着し、ダイヤモンドペンでウエハ端を削ることによって、導電層１０８の表面を露出させて、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を完成させた。
そして、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子のｐｄ電極１１４と、ウエハ端を削ることによって露出させた導電層１０８の表面とを、プローバーによってプローブし、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の裏面から発光スペクトルを瞬間マルチ測光システムおよび強度をフォトディテクタにより測定した。
比較のため、高濃度シリコンドープ層１０５を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして作製したテンプレート基板を、実施例１のテンプレート基板と同時にＭＯＣＶＤ装置内にセットし、上記と同様の条件で、比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
その結果、高濃度シリコンドープ層１０５を含む実施例１のテンプレート基板を用いて作製された実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、高濃度シリコンドープ層１０５を含まないテンプレート基板を用いて作製された比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて光出力が１２％向上することが確認された。
また、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子および比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子の発光波長はともに電流密度によって変化するが、電流密度が１０Ａ／ｃｍ2のときの発光波長はともに４４５ｎｍであった。
また、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子の電流密度１０Ａ／ｃｍ2におけるエレクトロルミネッセンス発光の半値幅は２９．８ｎｍであり、比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子の電流密度１０Ａ／ｃｍ2におけるエレクトロルミネッセンス発光の半値幅は２１．５ｎｍであった。したがって、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子のエレクトロルミネッセンス発光の半値幅は、比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、非常に広くなっていることが確認された。
また、段差計にて、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子のコンタクト１１３の表面のマクロステップの高さおよび横方向の幅を測定した結果、高さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、横方向の幅は４０μｍ以上１５０μｍ以下であることが確認された。
さらに、図１７に、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子のコンタクト１１３の表面のＰＬ（Photo Luminescence）発光パターンを示す。図１７のＰＬ発光パターンに示されるように、マクロステップのエッジが観測された。
このように、高濃度シリコンドープ層１０５が形成されている実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子と比較して、高濃度シリコンドープ層１０５上に成長した転位低減層１０６によって、貫通転位を低減することができ、発光波長がブロードとなり、エレクトロルミネッセンス発光の半値幅も広くなることが確認された。
これにより、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子と、緑色および赤色の蛍光体とを用いることによって、青色領域の色再現性がよく、演色性もよく、かつ人間の目に対する安全性が高い白色ＬＥＤ装置を作製することができる。
さらに、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を用いた場合には、発光効率が低下せず、光束も減少しない白色ＬＥＤ装置を作製することができる。
＜まとめ＞
本発明は、基板と、基板上に設けられた第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられた発光層と、発光層上に設けられた第２の窒化物半導体層と、を備え、第１の窒化物半導体層は、シリコンが２×１０19個／ｃｍ3以上の高濃度にドープされた高濃度シリコンドープ層と、高濃度シリコンドープ層上に貫通転位を横方向に曲げるための転位低減層とを含む窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、貫通転位を低減することにより特性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することができる。
本発明は、基板と、基板上に設けられた第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられた発光層と、発光層上に設けられた第２の窒化物半導体層と、を備え、第１の窒化物半導体層は、シリコンが２×１０19個／ｃｍ3以上の高濃度にドープされた高濃度シリコンドープ層と、高濃度シリコンドープ層上に貫通転位を横方向に曲げるための転位低減層とを含む窒化物半導体発光素子である。このような構成とすることにより、貫通転位を低減することにより特性を向上させた窒化物半導体発光素子を提供することができる。
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子において、高濃度シリコンドープ層から発光層側に向かってシリコン濃度が低下していき、高濃度シリコンドープ層の発光層側の表面から発光層側に向かって１．５μｍの箇所のシリコン濃度が１×１０17個／ｃｍ3以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、転位低減層における転位の低減を効果的に行なうことができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、高濃度シリコンドープ層の厚さは０．５μｍ以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、高濃度シリコンドープ層に引張応力が過剰に加えられないため、高濃度シリコンドープ層の結晶性を良好なものとすることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、転位低減層と発光層との間にマグネシウムを含む層が配置されていることが好ましい。このような構成とすることにより、マグネシウムを含む層の表面を平坦にすることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、マグネシウムを含む層中のマグネシウム濃度が５×１０18個／ｃｍ3以上５×１０19個／ｃｍ3以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、マグネシウムを含む層の表面を平坦にすることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、高さが２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であって、横方向の幅が４０μｍ以上３００μｍ以下のマクロステップを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を抑えて、発光層から発光される光の発光波長をよりブロードにすることができるとともに半値幅もより広げることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体発光ダイオード素子であって、４２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のドミナント発光波長を有することが好ましい。このような構成とすることにより、人間の目には、発光層から発光される青色光の色再現性および演色性が良好であるように感じるとともに、人間の目に対する安全性も高めることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体発光ダイオード素子であって、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下のドミナント発光波長を有することが好ましい。このような構成とすることにより、人間の目には、発光層から発光される青色光の色再現性および演色性が良好であるように感じるとともに、人間の目に対する安全性も高めることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、エレクトロルミネッセンス発光の半値幅が２５ｎｍ以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、人間の目には、発光層３から発光される青色光の色再現性および演色性が良好であるように感じるとともに、人間の目に対する安全性も高めることができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１の窒化物半導体層の基板に接する層が窒化アルミニウム層であることが好ましい。このような構成とすることにより、窒化アルミニウム層上に成長させた窒化物半導体層の螺旋転位を効果的に低減することができ、バーガーズベクトルの異なる２種類の別の転位を両方とも低減することができるため、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
さらに、本発明は、上記のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、発光層上に設けられた第２の窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、第１の窒化物半導体層を形成する工程は、基板上に高濃度シリコンドープ層を形成する工程と、高濃度シリコンドープ層上に転位低減層を形成する工程とを有し、転位低減層は、ＩＩＩ族源に対するＶ族源のモル濃度比が２５０以下とした有機金属気相成長法により形成される、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、窒化物半導体発光素子に利用することができ、特に、窒化物半導体発光ダイオード素子に好適に利用することができる。
１ 基板、２ 第１の窒化物半導体層、３ 発光層、４ 第２の窒化物半導体層、５ 第２の電極、６ 第１の電極、１１ バッファ層、１２ 斜めファセット層、１３ 第１の埋め込み層、１４ 高濃度シリコンドープ層、１５ 転位低減層、１６ 第２の埋め込み層、１７ 導電層、２１ マクロステップ、１０１ サファイア基板、１０２ ＡｌＮ膜、１０３ 斜めファセット層、１０４ 第１の埋め込み層、１０５ 高濃度シリコンドープ層、１０６ 転位低減層、１０７ 第２の埋め込み、１０８ 導電層、１０９ 超格子層、１１０ 発光層、１１１ キャリアブロック層、１１２ アンドープＧａＮ層、１１３ コンタクト層、１１４ ｐｄ電極。
Claims (4)
- 基板と、
前記基板上に設けられた第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられた第２の窒化物半導体層と、を備え、
前記第１の窒化物半導体層は、シリコンが２×１０１９個／ｃｍ３以上の高濃度にドープされた高濃度シリコンドープ層と、前記高濃度シリコンドープ層上に貫通転位を横方向に曲げるための転位低減層とを含み、
前記高濃度シリコンドープ層から前記発光層側に向かってシリコン濃度が低下していき、前記高濃度シリコンドープ層の前記発光層側の表面から前記発光層側に向かって１．５μｍの箇所のシリコン濃度が１×１０ １７ 個／ｃｍ ３ 以上である、
窒化物半導体発光素子。 - 前記高濃度シリコンドープ層の厚さは０．５μｍ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記転位低減層と前記発光層との間にマグネシウムを含む層が配置されている、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 高さが２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であって、横方向の幅が４０μｍ以上３００μｍ以下のマクロステップを含む、請求項１から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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