JP7100346B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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非特許文献2に示すように、一般的にトンネル接合は、p++半導体層とn++半導体層を接合させた構造であり、それぞれの層に空乏層が形成され、これら空乏層の厚みの和がトンネル接合層内に形成される空乏層の厚みとなる。この空乏層の厚みが薄いほど、電子が価電子帯から伝導帯へトンネルしやすくなり、低い電気抵抗でn++半導体層からp++半導体層に電流を流すことができる。空乏層の幅Wは、一般的に以下の式で表される。
このような状況下において、窒化物半導体を用いたトンネル接合層では、非特許文献3に示すように、バンドギャップの小さなGaInN層を用いたり、非特許文献4に示すように、アクセプタ(p型不純物)であるMg(以降、Mgという)の濃度プロファイルの制御が容易なMBE法を用いたり、非特許文献5に示すように、トンネル接合層の界面において、成長炉からウエハを一旦取り出しウエハ洗浄し、その後再成長させたりする等の工夫をして電気抵抗が低い窒化物半導体のトンネル接合層を実現している。
このため、発明者らは、この基本理論に基づいてアクセプタ濃度及びドナー濃度のそれぞれの濃度プロファイルを制御して作成したトンネル接合層の駆動電圧を評価し、アクセプタ及びドナーの相関関係を詳しく調査した。
上述したように、この基本理論においてはMg、及びドナー(n型不純物)であるSi(以降、Siという)を用いてp++半導体層、及びn++半導体層を形成しつつ、このMg及びSiのそれぞれの濃度プロファイルがトンネル接合層の界面において急峻に形成され、p++半導体層とn++半導体層とが接合され、Mg及びSiのそれぞれの最大値を示す位置がトンネル接合層の厚み方向(以降、厚み方向という)に分離して存在する濃度プロファイルの構造が最適であると考えられていた(図1(A)参照。)。しかし、窒化物半導体はMgの濃度プロファイルを急峻に制御することが難しいため、電気抵抗の低いトンネル接合層を実現することが難しい。なお、トンネル接合層のn側の端は、p側に向けてSiの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置であり、p側の端は、n側に向けてMgの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。
しかし、トンネル接合層では、Mg及びSiのそれぞれの濃度が高濃度であるため、Mg及びSiのそれぞれの濃度プロファイルを一度の測定で同時に測定することができる。これにより、発明者らは、窒化物半導体を用いた電気抵抗の低いトンネル接合層におけるMg及びSiのそれぞれの濃度の最大値を示す位置の厚み方向の正確な位置関係を把握することが可能であった。
その結果、図1(B)に示すように、トンネル接合層内のMgの濃度の最大値を示す厚み方向の位置に、そのMg濃度よりも高い濃度のSiが存在する構造において、窒化物半導体を用いたトンネル接合層の電気抵抗が大きく低下することを見出した。これは、非特許文献2に開示された従来の基本理論によれば、トンネル接合層の全てのMgがSiに補償されてしまい実効アクセプタ濃度は0となり、トンネル接合層として全く好ましくない構造である。
また、第2発明の窒化物半導体発光素子は、トンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記トンネル接合層のn側の端までの間における前記アクセプタ濃度が、ドナー濃度より低く、前記トンネル接合層に前記アクセプタ濃度の最大値及び前記ドナー濃度の最大値が位置しており、実効アクセプタ濃度は、前記トンネル接合層のp側の端に向けて単調に減少していることを特徴とする。
また、実施例1、2、及び比較例1、2では、Siの厚み方向の濃度プロファイルを互いに同様とし、Mgの厚み方向の濃度プロファイルをそれぞれ変更している。
実施例1、2、及び比較例1、2において、p++-GaN層15Aを形成する際、Mgの供給量を調整することによって、Mgの濃度の最大値を示す厚み方向の位置(以降、Mgの最大値を示す位置という)に対するSiの濃度の最大値を示す厚み方向の位置(以降、Siの最大値を示す位置という)を1.8nm、2.5nm、4.3nm、7.2nmの4種類に変化させている。Mgの最大値を示す位置に対するSiの最大値を示す位置は、実施例1が1.8nmであり、実施例2が2.5nmであり、比較例1が4.3nmであり、比較例2が7.2nmである。
そして、反応炉内へのTMGa及びSiH4の供給を停止して結晶成長を終了する。そして、反応炉内へ供給するキャリアガスをH2からN2に切り替える。そして、反応炉内の温度を調節して基板9の温度が400℃以下になった時点で、反応炉内へのNH3の供給を停止する。そして、基板9の温度が室温になった後、反応炉内のパージを行い、基板9を反応炉から取り出す。こうして、図1に示す層構造を有した実施例1、2、及び比較例1、2の基板9を作成することができる。
ここで、SIMSの測定条件を以下に示す。測定装置:CAMECA IMS-6F、一次イオン種:Cs+、一次加速電圧、5.0kV、検出領域:60μmφである。測定濃度はそれぞれイオン注入した標準試料を用いて較正した。この測定条件でMg及びSiの濃度を同時に測定することによって、MgとSiとのそれぞれの厚み方向の濃度プロファイルの関係を明確に得ることができる。
なお、トンネル接合層15の形成工程において、実施例1、2、及び比較例1、2のそれぞれでp++-GaN層15A、及びn++-GaN層15Bの厚みについて述べているが、これは、p++-GaN層15A、及びn++-GaN層15Bのそれぞれにおいて、Mg、及びSiが所定の濃度以上に添加された領域の厚みである。
実施例1、2、及び比較例1、2の試料のトンネル接合層15のn側の端Enは、図3(A)~(D)に示すように、p側に向けてSiの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。また、実施例1、2、及び比較例1、2の試料のトンネル接合層15のp側の端Epは、n側に向けてMgの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。
実施例1、2、及び比較例1、2の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Mg及びSiの濃度がトンネル接合層15のn側の端Enに向けて、ほぼ同じ傾きをなして減少している。
実施例1、2、及び比較例1の試料は、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側の端Enまでの間におけるMg濃度がSi濃度より低い。
また、実施例1、2、及び比較例1の試料は、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置が、トンネル接合層15のn側の端Enの位置よりもSi濃度の値とMg濃度の値とが一致する位置Snpに近い。
また、実施例1、2及び比較例1の試料は、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置、及びSi濃度の最大値を示す位置が、Si濃度の値とMg濃度の値とが一致する位置Snpよりトンネル接合層15のn側に位置している。
また、実施例1の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域がおよそ7nmである。実施例1の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ7nm、n側にずれている。
また、実施例2の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域はおよそ6nmである。実施例2の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ6nm、n側にずれている。
また、比較例1の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域はおよそ9nmである。比較例1の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ9nm、n側にずれている。
また、比較例2の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域はおよそ12nmである。比較例2の試料は、Mg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ12nm、n側にずれている。
これに対して、Mgの最大値を示す位置とSiの最大値を示す位置との間の距離が短くなる(実施例1、2、及び比較例1)に従い、トンネル接合層15の界面B付近における実効ドナー濃度、及び実効アクセプタ濃度は低下し、実施例1、2の試料では、実効アクセプタ濃度の最大値が明確に存在せず、従来の基本理論ではトンネル接合層として機能し難い構造に見える。
図5に示すように、Mgの最大値を示す位置に対するSiの最大値を示す位置が比較例2の試料より短くなる(すなわち、+7.2nmより短くなる)に従って急激に駆動電圧が低くなり、実施例2の試料(+2.5nm)が最も低い値である。また、実施例1の試料(+1.8nm)の駆動電圧は、実施例2の試料(+2.5nm)に比べて僅かに上昇したものの、比較例2の試料(+7.2nm)に比べて十分低い値であった。
従来の基本理論によれば、比較例2の試料(+7.2nm)の濃度プロファイルにおいて、空乏層の幅が最も狭く、駆動電圧が最も低くなり、一方で、Mgの最大値の位置とSiの最大値の位置との間の距離が短くなる(実施例1、2、及び比較例1)に従い、実効アクセプタ濃度、及び実効ドナー濃度のそれぞれが低下することによって、空乏層の幅が広がり、駆動電圧が高くなるものと考えられたが、全く逆の結果であった。
実施例1、2、及び比較例1の試料のように、トンネル接合層15内のMgの最大値を示す位置において、Mgの濃度より高い濃度のSiが存在する構造によって、窒化物半導体を用いたトンネル接合層15の電気抵抗が大きく低下する。
そして、より好ましくは、実施例1、2の試料である図3(A)、(B)に示すように、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置におけるSi濃度の値は、Mg濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上であると、窒化物半導体を用いたトンネル接合層15の電気抵抗がより大きく低下する。
こうして、トンネル接合層115を形成する。この後、トンネル接合層115の表面に第2n-GaN層16を積層して結晶成長させ、比較例3の試料を作成する。比較例3の試料は、実施例1、2、及び比較例1、2と層構造が同じである(図2参照。)。
なお、比較例3の試料のトンネル接合層115のn側の端Enは、p側に向けてSiの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置であり、比較例3の試料のトンネル接合層115のp側の端Epは、n側に向けてMgの濃度プロファイルがほぼ平坦の状態から増加する状態に変化する位置である。
また、比較例3の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層115のn側(図6における左側)に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Mg及びSiの濃度がトンネル接合層115のn側に向けてほぼ同じ傾きをなして減少している。この点も実施例1、2、及び比較例1、2と同じである。
しかし、比較例3の試料はトンネル接合層115のn側におけるSiの濃度プロファイルが実施例1、2、及び比較例1、2に対して大きく異なる。具体的には、比較例3の試料のMgの最大値を示す位置からトンネル接合層115のn側に向けてMgの濃度が減少する領域において、Mgの濃度が1×1020cm-3未満で、且つSiの濃度が1×1020cm-3以上の領域は0nmである。つまり、比較例3の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層115のn側に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線はMgの濃度を示すグラフの曲線に対してほぼ重なってトンネル接合層115のn側に向けて減少している。
これに対して、実施例2の試料は、Mgの最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりもおよそ6nm、n側にずれており、トンネル接合層15のn側に向けて減少している(図3(B)参照。)。
図7に示すように、n++-GaN層115Bの厚みが5nmである比較例3の試料は、n++-GaN層15Bの厚みが15nmである実施例2の試料に比べて、駆動電圧が大きく増加することがわかった。
したがって、トンネル接合層15において、Mg濃度の最大値を示す位置におけるSi濃度の値がMg濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上であり、Mg濃度の最大値を示す位置からトンネル接合層15のn側において、トンネル接合層15のn側に向けてMgの濃度が減少する領域、且つMg及びSiの濃度が1×1019cm-3以上で1×1020cm-3以下の範囲において、Mg濃度が1×1020cm-3未満、且つSi濃度が1×1020cm-3以上の領域が6nm以上である(すなわち、Siの濃度を示すグラフの曲線がMgの濃度を示すグラフの曲線よりも6nm以上、n側にずれている)場合、より電気抵抗が低くなり、低い駆動電圧を実現できることがわかった。
(1)実施例1、2では、トンネル接合層の裏面側は一般的な青色LED構造であるが、これに限らず、高電流密度領域における電圧降下が大きく改善されることから、端面レーザダイオードや、第1n-GaN層の裏面側に、多層膜反射鏡を設けた面発光レーザ構造としても良い。
(2)実施例1、2では、p型不純物としてMgを用いているが、これに限らず、p型不純物である、Zn,Be、Ca、Sr、及びBa等であっても良い。
(3)実施例1、2では、n型不純物としてSiを用いているが、これに限らず、n型不純物である、Ge、Te等であっても良い。
(4)実施例1、2では、GaInN/GaN5重量子井戸活性層の表面にp-AlGaN層を積層して形成しているが、これに限らず、GaInN量子井戸活性層の表面にp-AlGaN層を積層して形成しなくても良い。
(5)実施例1、2では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、窒化ガリウム基板やAlN基板等の他の基板を用いても良い。
(6)実施例1、2では、トンネル接合層のp++-GaN層の厚みを数nm~10数nmとしているが、これに限らず、トンネル接合層のp++-GaN層の厚みを数nmより小さくしても良く、10数nmより大きくしても良い。
(7)実施例1、2では、トンネル接合層のn++-GaN層の厚みを15nm以上としているが、これに限らず、トンネル接合層のn++-GaN層の厚みを15nmより小さくしても良い。
(8)実施例1、2では、トンネル接合層にGaNを用いているが、活性層の発光波長の長さに応じて、GaInNやAlGaNをトンネル接合層の材料として用いても良い。
(9)実施例1、2では、c面であるu-GaN層の表面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成しているが、a面やm面等の他の面方位の表面にも窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成しても十分な効果を発揮する。つまり、平面状に形成された基板の表面のみならず、ナノコラム等の三次元形状の側壁を形成する面に窒化物半導体を用いたトンネル接合層を形成する場合にも効果を発揮する。
Snp…ドナー濃度の値とアクセプタ濃度の値とが一致する位置
15…トンネル接合層
Claims (6)
- トンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記トンネル接合層のn側の端までの間における前記アクセプタ濃度が、ドナー濃度より低く、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記ドナー濃度の最大値を示す位置までの間の厚み方向の距離よりも、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記ドナー濃度の値と前記アクセプタ濃度の値とが一致する位置までの間の厚み方向の距離が大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
- トンネル接合層において、アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記トンネル接合層のn側の端までの間における前記アクセプタ濃度が、ドナー濃度より低く、前記トンネル接合層に前記アクセプタ濃度の最大値及び前記ドナー濃度の最大値が位置しており、実効アクセプタ濃度は、前記トンネル接合層のp側の端に向けて単調に減少していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
- 前記トンネル接合層において、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置が、前記トンネル接合層のn側の端の位置よりも前記ドナー濃度の値と前記アクセプタ濃度の値とが一致する位置に近いことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記トンネル接合層において、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置、及び前記ドナー濃度の最大値を示す位置は、
前記ドナー濃度の値と前記アクセプタ濃度の値とが一致する位置より前記トンネル接合層のn側に位置していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記トンネル接合層において、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置における前記ドナー濃度の値は、
前記アクセプタ濃度の最大値に対して少なくとも2倍以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記トンネル接合層において、前記アクセプタ濃度の最大値を示す位置から前記トンネル接合層のn側において、前記アクセプタ濃度が1×1020cm-3未満、且つ前記ドナー濃度が1×1020cm-3以上の領域が6nm以上であることを特徴とする請求項1乃至5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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