JP5569480B2

JP5569480B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JP5569480B2
Application number: JP2011159506A
Authority: JP
Inventors: 浩明牧野; 義樹齋藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: US8680564B2; JP2013026426A; US20130020608A1

Description

本発明は、ｐコンタクト層とＩＴＯ電極とのコンタクト抵抗が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。

近年、III 族窒化物半導体発光素子は照明用途として需要が拡大しており、高出力化が進められている。そして、高出力化に伴い、年々駆動電流が高くなっている。そのため、抵抗による消費電力の増大が顕著となっており、発光効率の低下を引き起こしている。これを避けるためには素子の低抵抗化が不可欠となる。

現在主に製造されているIII 族窒化物半導体発光素子は、横方向に導通をとるフェイスアップ型やフリップチップ型の素子であり、フェイスアップ型の素子ではｐコンタクト層のほぼ全面にＩＴＯからなる透明電極が形成されている。また、フリップチップ型ではｐコンタクト層のほぼ全面にＡｇなどの高反射率な金属やその合金からなる反射電極が形成されている。そこで素子の低抵抗化のためにｐコンタクト層と電極とのコンタクト抵抗を低減することが考えられる。コンタクト抵抗を低減することで、発光効率の向上および発光分布の均一化が期待できる。

ｐコンタクト層と電極とのコンタクト抵抗を低減する方法として、特許文献１、２の方法が知られている。

特許文献１には、ｐコンタクト層の表面を凹凸形状とすることで、ｐコンタクト層と電極との接触面積を大きくし、コンタクト抵抗を低減する方法が示されている。また、この凹凸形状により光取り出し効率も向上させることができる。また、凹凸形状は、３次元成長が優勢となる条件で結晶成長させることによって形成することができると記載されている。３次元成長が優勢となる条件として、低温で成長させる、成長雰囲気中の水素濃度を低くする、Ａｌ組成比を大きくする、Ｓｉをドープする、以上の方法が記載されている。他に、選択的エッチングや選択成長によって凹凸形状を形成してもよいことが記載されている。

特許文献２には、ｐクラッド層上に格子状の金属層を有し、ｐクラッド層および金属層上に透明導電性酸化物からなる透明オーミック接触層を有するIII 族窒化物半導体発光素子が示されている。このような構成によると、コンタクト抵抗を低減することができると記載されている。

特開２００６−８０４６９特開２００５−２６０２４５

しかし、特許文献１、２の方法をもってしてもｐコンタクト層とＩＴＯ電極とのコンタクト抵抗の低減は十分ではなく、さらなる低減技術が望まれている。

本発明者らは、ｐコンタクト層とＩＴＯ電極とのコンタクト抵抗が高い原因について各種の実験結果等から考察し、その原因は、ｐコンタクト層とＩＴＯ電極との界面において酸素が不足しているからではないかと推察した。本発明は、この推察から導き出されたものであり、特許文献１、２の方法とは異なる方法によってｐコンタクト層とＩＴＯ電極とのコンタクト抵抗が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子を実現するものである。

本発明の目的は、III 族窒化物半導体発光素子において、ｐコンタクト層とＩＴＯ電極とのコンタクト抵抗を低減することである。

第１の発明は、ｐ型のＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるｐコンタクト層と、ｐコンタクト層上にＩＴＯからなる透明電極とを有したIII 族窒化物半導体発光素子において、ｐコンタクト層と透明電極との界面であって、ｐコンタクト層表面上に、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体からなるドット状、島状またはメッシュ状の構造体が設けられている、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

構造体の材料は、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体（つまりＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＮ）であればよく、ノンドープであってもＭｇ等のｐ型不純物がドープされたｐ型であってもよい。Ｓｉなどのｎ型不純物がドープされたｎ型であってもよいが、ノンドープやｐ型の方が望ましい。また、Ｓｉなどの３次元成長を促進するアンチサーファクタントがドープされていてもよい。また、。Ｍｇをドープする場合、Ｍｇ濃度は１×１０²¹／ｃｍ³以下とすることが望ましい。これよりも濃度が高いと構造体の結晶性が悪化してしまうからである。構造体の材料は、特にＡｌＧａＮとするのがよい。制御性、再現性、結晶性の点でＡｌＩｎＮなどの他の材料よりも優れているからである。ＡｌＧａＮとする場合、Ａｌ組成比は０％より大きく５０％以下とするのが望ましい。この範囲であれば、より再現性、制御性よく構造体を形成することができる。より望ましいＡｌ組成比は１５〜３０％、さらに望ましくは２０〜２５％である。

構造体の形状は、ドット状、島状、またはメッシュ状であればよい。すなわちｐコンタクト層表面に離散的にＡｌを含むIII 族窒化物半導体が存在して、表面を完全に覆わない形状であれば任意の形状でよい。ドット状の場合のドットの形状あるいはメッシュ状の場合の目の形状は、たとえば角錐、円錐、角柱、円柱、角錐台、円錐台、半球などの形状である。

構造体がｐコンタクト層表面に占める面積は、全体の０％より大きく５０％以下とすることが望ましい。０％ではｐコンタクト層と透明電極との界面に供給される酸素の量が十分でなく、コンタクト抵抗が十分に低減できない。５０％よりも大きいと、ｐコンタクト層と透明電極とが接触する面積が少なくなってしまい、コンタクト抵抗が高くなってしまうため望ましくない。より望ましい構造体の専有面積は０％より大きく２０％以下であり、さらに望ましくは１０〜１５％である。

ドット状、島状、またはメッシュ状の構造体は、ｐコンタクト層上に、３次元成長が優勢な条件で短時間、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体を成長させることで形成することができる。３次元成長が優勢となる条件は、たとえば、低温で成長させる、水素濃度を低くする、Ａｌ組成比を高くする、Ｓｉなどのアンチサーファクタントをドープする、などである。これらの条件のうち、少なくとも１つ以上を制御することによって、ドット状、島状、またはメッシュ状の構造体を形成することができる。他に、選択的エッチングや選択成長によってこのような構造体を形成してもよい。

また、構造体の高さは０．５〜５ｎｍとすることが望ましい。この範囲であれば、ｐコンタクト層と透明電極とのコンタクト抵抗を十分に低減することができる。より望ましくは０．５〜２．５ｎｍ、さらに望ましくは０．５〜１．０ｎｍである。

ｐコンタクト層は、ｐ型のIII 族窒化物半導体であれば任意であるが、ｐ−ＧａＮ、あるいはｐ−ＩｎＧａＮとすることが望ましい。ｐ−ＧａＮとすれば、Ｍｇ濃度や結晶性の制御が容易である。ｐ−ＩｎＧａＮとすれば、仕事関数が透明電極に近くなるため、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。ｐコンタクト層のＭｇ濃度は１．０×１０¹⁹〜１．０×１０²¹／ｃｍ³とすることが望ましい。Ｍｇ濃度がこれよりも低いと、コンタクト抵抗を十分に低減することができず、Ｍｇ濃度がこれよりも高いと、ｐコンタクト層の結晶性が悪化してしまう。より望ましいＭｇ濃度は、１．０×１０²⁰〜１．０×１０²¹／ｃｍ³である。また、ｐコンタクト層の厚さは５〜１００ｎｍとすることが望ましい。５ｎｍよりも薄いと膜状に形成することが難しく、１００ｎｍよりも厚いと抵抗が増加し望ましくない。また、ｐコンタクト層は、Ｍｇ濃度あるいはＩｎ組成比の異なる複数の層で構成されていてもよい。

透明電極は、１００〜２００ｎｍの厚さとすることが望ましい。ここで透明電極の厚さは、ｐコンタクト層１５上の透明電極表面からその垂直方向に測った厚さとする。厚さがこの範囲であれば、電流拡散性向上による発光の均一性や、駆動電圧の低減が十分となる。

第２の発明は、第１の発明において、構造体は、ＡｌＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、構造体は、Ａｌ組成比が０％より大きく５０％以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、構造体がｐコンタクト層表面において占める面積は、０％より大きく５０％以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

本発明によると、ｐコンタクト層と透明電極とのコンタクト抵抗を低減することができる。これは、構造体に含まれるＡｌが酸素と結合することで、ｐコンタクト層と透明電極との界面の酸素が増加することにより、コンタクト抵抗が低下していると考えられる。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。コンタクト抵抗を比較したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０上に、ｎコンタクト層１１、ｎクラッド層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５が順に積層されている。。また、ｐ型コンタクト層１５表面側からｎ型コンタクト層１１に達する深さの溝が設けられ、その溝の底面に露出したｎ型コンタクト層１１上にはｎ電極１８が設けられている。また、ｐコンタクト層１５上には、ドット状のＡｌＧａＮが点在したドット状構造体１６が形成されている。ｐコンタクト層１５上およびドット状構造体１６上には、ＩＴＯ電極１７が形成され、ＩＴＯ電極１７上にはｐ電極１９が形成されている。

サファイア基板１０のｎコンタクト層１１側表面にドット状、ストライプ状などの凹凸パターンを設け、光取り出し効率の向上を図るようにしてもよい。成長基板としてサファイア基板以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮ、Ｇａ₂Ｏ₃などを用いることができる。

ｎコンタクト層１１は、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上のｎ−ＧａＮである。ｎ電極１６とのコンタクト抵抗をより低減するために、ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。

ｎクラッド層１２は、ノンドープのＡｌＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層を積層させたものを１単位として、この単位構造を繰り返し積層させた超格子構造である。

ｎコンタクト層１１とｎクラッド層１２との間に、素子の静電耐圧性を高めるためのＥＳＤ層を設けてもよい。ＥＳＤ層は、たとえば、ｎコンタクト層１１側から順に、第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層構造とし、第１ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に１×１０⁸／ｃｍ²以下のピットが形成され、厚さが２００〜１０００ｎｍ、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁶〜５×１０¹⁷／ｃｍ³のＧａＮで構成され、第２ＥＳＤ層は、発光層１３側の表面に２×１０⁸／ｃｍ²以上のピットが形成され、厚さが５０〜２００ｎｍ、キャリア濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³以下のＧａＮで構成され、第３ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度（／ｃｍ³）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０²⁰〜３．６×１０²⁰（ｎｍ／ｃｍ³）のＧａＮで構成する。このようにＥＳＤ層を構成すれば、静電耐圧特性を向上させつつ、発光効率や信頼性を向上させることができ、電流のリークを減少させることができる。

発光層１３は、ノンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とノンドープのＡｌＧａＮからなる障壁層とが交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層と障壁層との間に、Ａｌ組成比が障壁層のＡｌ組成比以下のＡｌＧａＮからなり、井戸層と同じ成長温度で形成するキャップ層を設けてもよい。このようなキャップ層を設けると、障壁層を形成する際の昇温時に井戸層からのＩｎの離脱が防止されるため、発光効率を向上させることができる。発光層１３とｐクラッド層１４との間に、ｐクラッド層１４中のＭｇが発光層１３へ拡散するのを防止するために、ノンドープのＧａＮとノンドープのＡｌＧａＮとからなる層を設けてもよい。

ｐクラッド層１４は、ｐ−ＩｎＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層を順に積層させたものを１単位として、この単位構造を繰り返し積層させた構造である。ただし、最初に形成する層、すなわち、発光層１３に接する層をｐ−ＩｎＧａＮ層とし、最後に形成する層、すなわち、ｐコンタクト層１５に接する層をｐ−ＡｌＧａＮ層としている。ｐクラッド層１４の全体の厚さは３２．９ｎｍである。ｐ型不純物にはＭｇを用いている。

ｐコンタクト層１５は、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮである。Ｍｇ濃度は１．０×１０¹⁹〜１．０×１０²¹／ｃｍ³とすることが望ましい。Ｍｇ濃度がこれよりも低いと、コンタクト抵抗を十分に低減することができず、Ｍｇ濃度がこれよりも高いと、ｐコンタクト層の結晶性が悪化してしまう。より望ましいＭｇ濃度は、１．０×１０²⁰〜１．０×１０²¹／ｃｍ³である。また、ｐコンタクト層の厚さは５〜１００ｎｍとすることが望ましい。５ｎｍよりも薄いと膜状に形成することが難しく、１００ｎｍよりも厚いと高抵抗となり望ましくない。

また、ｐコンタクト層１５はｐ−ＧａＮに限らず、ｐ−ＩｎＧａＮとしてもよい。仕事関数がＩＴＯに近くなり、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７とのコンタクト抵抗をより低減することができる。また、ｐコンタクト層１５をＭｇ濃度あるいはＩｎ組成比の異なる複数の層で構成し、ＩＴＯ電極１７とのコンタクト抵抗をより低減できるようにしてもよい。

また、ｐコンタクト層１５表面に凹凸形状が設けられていてもよい。これにより光取り出し効率が向上するとともに、ＩＴＯ電極１７との接触面積が増大するためコンタクト抵抗をより低減することができる。

ドット状構造体１６は、Ａｌ組成比が０％より大きく５０％以下のノンドープのＡｌＧａＮからなるドットがｐコンタクト層１５上に点在した構造である。Ａｌ組成比は１５〜３０％とすることがより望ましく、さらに望ましくは２０〜２５％である。ＡｌＧａＮに限らず、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体（ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＮ）であってもよいし、Ｍｇがドープされたｐ型であってもよい。Ｍｇをドープする場合、Ｍｇ濃度は１×１０²¹／ｃｍ³以下とすることが望ましい。また、ドット状に限らず、島状またはメッシュ状の形状でもよい。つまり、ｐコンタクト層１５表面にＡｌＧａＮが点在して表面全体を覆わない形状であればよい。ドット状またはメッシュ状とする場合、ドットの形状あるいはメッシュの目の形状は、たとえば角錐、円錐、角柱、円柱、角錐台、円錐台、半球などの形状とすることができる。

ドット状構造体１６がｐコンタクト層１５表面に占める面積は、全体の０％より大きく５０％以下とすることが望ましい。０％ではｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７との界面に供給される酸素の量が十分でなく、コンタクト抵抗が十分に低減できないからである。また５０％よりも大きいと、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７とが接触する面積が少なくなってしまい、コンタクト抵抗が高くなってしまうため望ましくない。より望ましいドット状構造体１６の専有面積は０％より大きく２０％以下であり、さらに望ましくは１０〜１５％である。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７との間に、ＡｌＧａＮからなるドット状構造体１６を設けることで、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７とのコンタクト抵抗を低減することができる。これは、ドット状構造体１６中のＡｌと酸素が結合してｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７との界面に酸素が供給されるためと考えられる。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法について、図２を参照に説明する。

まず、サファイア基板１０を水素雰囲気中で加熱してサーマルクリーニングを行い、サファイア基板１０表面の付着物を除去する。そして、サファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を４００℃で形成した後、バッファ層上にＭＯＣＶＤ法によってｎコンタクト層１１、ｎクラッド層１２、発光層１３、ｐクラッド層１４、ｐコンタクト層１５を順に形成する（図（２（ａ））。ｐコンタクト層１５は１０００〜１０２０℃で形成する。用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅Ｈ₅）₂）、キャリアガスとしてＨ₂とＮ₂である。

次に、ｐコンタクト層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌＧａＮからなるドット状構造体１６を形成する（図２（ｂ））。原料ガスやキャリアガスは上記と同様である。ドット状に形成するには、３次元成長が優勢となる条件で短時間結晶成長させればよい。その条件の１つは、低温で成長させることである。具体的には８００〜８５０℃で成長させるとよい。他の１つは、成長雰囲気中の水素濃度を低くすることである。具体的にはキャリアガスの供給量を減少させればよい。他の１つは、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を高くすることである。具体的にはＡｌ組成比を２０〜２５％とするとよい。他の１つは、Ｓｉなどのアンチサーファクタントをドープすることである。これらの条件のうち少なくとも１つを制御することによって、ｐコンタクト層１５上にＡｌＧａＮをドット状に成長させることができる。

なお、ＡｌＧａＮを選択的にエッチングしたり、選択的に成長させることによってドット状構造体１６を形成してもよい。

次に、熱処理を行ってＭｇを活性化し、ｐクラッド層１４およびｐコンタクト層１５をｐ型化した後、ｐコンタクト層１５表面からｎコンタクト層１１に達する溝をドライエッチングによって形成する（図２（ｃ））。

次に、ｐコンタクト層１５上、およびドット状構造体１６上に、蒸着法やスパッタリングによってＩＴＯ電極１７を形成し、その後６５０〜７００℃で焼成して結晶化させる（図２（ｄ））。

なお、先にＩＴＯ電極１７を形成した後、ドライエッチングによってｎコンタクト層１１に達する溝を形成してもよい。

次に、ＩＴＯ電極１７上にｐ電極１８、溝底面に露出したｎコンタクト層上にｎ電極を蒸着法によって形成し、熱処理によってアロイ化する。以上によって図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

図３は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子について、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７とのコンタクト抵抗ρｃ（Ω・ｃｍ²）を測定した結果を示したグラフである。ＡｌＧａＮの成長温度８００℃、圧力は常圧とし、Ａｌ組成比は２２％、成長時間は６秒とした。この条件では、ＡｌＧａＮはｐコンタクト層１５上にドット状に成長し、ドット状構造体１６が形成される。また、比較のため成長時間を０秒（すなわちＡｌＧａＮを成長させなかった場合）、１２秒とした場合についてもコンタクト抵抗ρｃを測定した。図３より、０秒の場合と６秒の場合を比較すると、６秒成長させた場合は０秒の場合よりもコンタクト抵抗ρｃがおよそ２０％低減していることがわかる。したがって、この図３の結果から、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７との間にドット状構造体１６を形成すると、形成しない場合よりもコンタクト抵抗ρｃを低減することができることがわかった。また、成長時間を１２秒とした場合は、０秒とした場合よりも若干コンタクト抵抗ρｃが上昇している。これはＡｌＧａＮが膜状に形成されてドット状には形成されずにｐコンタクト層１５上を覆ってしまい、ｐコンタクト層１５とＩＴＯ電極１７とが直接接触する面積が減少してしまったため、あるいは全く接触していないためと考えられる。

なお、本発明はIII 族窒化物半導体発光素子におけるｐコンタクト層１５上に、ＡｌＧａＮからなるドット状構造体１６を有し、ｐコンタクト層１５上とドット状構造体１６上にＩＴＯ電極１７を有することを特徴とするものであり、他の構成については実施例に示したものに限らず、従来知られた種々の構造を採用することが可能である。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎコンタクト層
１２：ｎクラッド層
１３：発光層
１４：ｐクラッド層
１５：ｐコンタクト層
１６：ドット状構造体
１７：ＩＴＯ電極
１８：ｎ電極
１９：ｐ電極

Claims

ｐ型のＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるｐコンタクト層と、前記ｐコンタクト層上にＩＴＯからなる透明電極とを有したIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記ｐコンタクト層と前記透明電極との界面であって、前記ｐコンタクト層表面上に、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体からなるドット状、島状またはメッシュ状の構造体が設けられている、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
前記構造体は、ＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記構造体は、Ａｌ組成比が０％より大きく５０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記構造体が前記ｐコンタクト層表面において占める面積は、０％より大きく５０％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。