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技術 窒化物半導体発光素子

出願人 日機装株式会社
発明者 和田貢根木大輔
出願日 2017年12月5日 (2年8ヶ月経過) 出願番号 2017-233332
公開日 2019年6月24日 (1年1ヶ月経過) 公開番号 2019-102689
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード トンネルジャンクション n型半導体 紫外線発光素子 下地構造 価電子 歪補償層 圧縮歪 格子緩和
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

トンネルジャンクション圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供する。

解決手段

p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層70と、p型クラッド層70上に位置して、p型クラッド層70にn型の半導体を含むn型半導体層90をトンネル接合させるトンネルジャンクション80とを含む窒化物半導体発光素子1であって、トンネルジャンクション80は、該トンネルジャンクション80の圧縮歪を補償する歪補償層86を含む。

概要

背景

近年、紫外光を出力する発光ダイオードレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている(特許文献1参照。)。

概要

トンネルジャンクション圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供する。p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層70と、p型クラッド層70上に位置して、p型クラッド層70にn型の半導体を含むn型半導体層90をトンネル接合させるトンネルジャンクション80とを含む窒化物半導体発光素子1であって、トンネルジャンクション80は、該トンネルジャンクション80の圧縮歪を補償する歪補償層86を含む。

目的

本発明は、トンネルジャンクションの圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制することができる窒化物半導体発光素子を提供する

効果

実績

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請求項1

p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層上に位置して、前記p型クラッド層にn型の半導体を含むn型半導体層をトンネル接合させるトンネルジャンクションとを含む窒化物半導体発光素子であって、前記トンネルジャンクションは、該トンネルジャンクションの圧縮歪補償する歪補償層を含む、窒化物半導体発光素子。

請求項2

前記トンネルジャンクションは、前記p型クラッド層側に位置するp型の半導体を含むp型層と、前記n型半導体層側に位置するn型の半導体を含むn型層とを含み、前記歪補償層は、前記p型層及び前記n型層の間に設けられている、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項3

前記歪補償層は、前記p型層及び前記n型層に生じる圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みを有する、請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項4

前記歪補償層は、前記p型半導体Al組成比及び前記n型半導体のAl組成比よりも大きいAl組成比を有する材料により形成されている、請求項2又は3に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項5

前記p型層は、p型のAlaInbGa1−a—bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成されている、請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項6

前記n型層は、n型のAlcIndGa1−c—dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項7

前記歪補償層は、AlzGa1−zN(0.8≦z≦1.0)により形成されている、請求項1から6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項8

前記歪補償層は、5nm以下の厚さを有する、請求項1から7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項9

前記p型層は、10nm以下の厚さを有する、請求項1から8のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

請求項10

前記n型層は、10nm以下の厚さを有する、請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。

技術分野

0001

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

背景技術

0002

近年、紫外光を出力する発光ダイオードレーザダイオード等の窒化物半導体発光素子が提供されており、発光強度を向上させた窒化物半導体発光素子の開発が進められている(特許文献1参照。)。

先行技術

0003

特開2015−162631号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に配置された第1のn型窒化物半導体層と、前記第1のn型窒化物半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置されたp型窒化物半導体層と、前記p型窒化物半導体層の上面に配置され、前記p型窒化物半導体層との接合トンネルジャンクションである第2のn型窒化物半導体層と、前記第2のn型窒化物半導体層上に配置され、前記p型窒化物半導体層と電気的に接続されるp側電極と、前記第1のn型窒化物半導体層と電気的に接続されるn側電極とを備える。

0005

特許文献1に記載の窒化物半導体発光素子のトンネルジャンクションは、p型GaN層の上にp型InGaNを形成するように構成されたp型窒化物半導体層とn型InGaN層の上にn型GaN層を形成した第2のn型窒化物半導体層とで形成されている。

0006

ところで、波長200nmから360nmで発光するAlGaN系紫外線発光素子では、Al組成比が高いAlGaN系材料を用いることが好ましい。例えば、n型窒化物半導体層や活性層のバリア層には、Al組成比が0.40以上のAlGaN系材料を用いることができる。

0007

しかしながら、このような高いAl組成比を有するAlGan系の半導体材料上に、格子定数の大きなGaNやInGaNを含むトンネルジャンクションを形成する場合、トンネルジャンクションの圧縮歪が大きくなり、格子緩和によって結晶品質の低下を招く虞があった。

0008

そこで、本発明は、トンネルジャンクションの圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制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を目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明は、上記課題を解決することを目的として、p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層と、前記p型クラッド層上に位置して、前記p型クラッド層にn型の半導体を含むn型半導体層をトンネル接合させるトンネルジャンクションとを含む窒化物半導体発光素子であって、前記トンネルジャンクションは、該トンネルジャンクションの圧縮歪を補償する歪補償層を含む窒化物半導体発光素子を提供する。

発明の効果

0010

本発明によれば、トンネルジャンクションの圧縮歪を抑制して結晶品質の低下を抑制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。

図面の簡単な説明

0011

図1は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。
図2は、GaN及びAlNの格子定数及び格子不整率を示す図である。

実施例

0012

[実施の形態]
本発明の実施の形態について、図1及び図2を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。

0013

図1は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図である。窒化物半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう。)は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。本実施の形態では、特に、中心波長が200nm〜360nmの深紫外光を発する発光素子1を例に挙げて説明する。

0014

図1に示すように、発光素子1は、基板10と、バッファ層20と、n型クラッド層30と、中間層40と、多重量子井戸層を含む活性層50と、電子ブロック層60と、p型クラッド層70と、トンネルジャンクション80と、n型半導体層90と、カソード電極100と、アノード電極120とを含んで構成されている。

0015

発光素子1を構成する半導体には、例えば、AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)にて表される2元系、3元系若しくは4元系のIII族窒化物半導体を用いることができる。また、これらのIII族元素の一部は、ホウ素(B)、タリウム(Tl)等で置き換えても良く、また、Nの一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置き換えてもよい。

0016

基板10は、発光素子1が発する深紫外光に対して透光性を有している。基板10は、例えば、サファイア(Al2O3)を含むサファイア基板である。基板10には、サファイア(Al2O3)基板の他に、例えば、窒化アルミニウム(AlN)基板や、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板を用いてもよい。

0017

バッファ層20は、基板10上に形成されている。バッファ層20は、AlN層22と、AlN層22上に形成されるアンドープのu−AlpGa1−pN層24(0≦p≦1)を含んで構成されている。また、基板10及びバッファ層20は、下地構造部2を構成する。なお、基板10がAlN基板またはAlGaN基板である場合、バッファ層20は必ずしも設けなくてもよい。

0018

n型クラッド層30は、下地構造部2上に形成されている。n型クラッド層30は、n型のAlGaN(以下、単に「n型AlGaN」ともいう。)により形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAlqGa1−qN層(0≦q≦1)である。なお、n型の不純物としては、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、炭素(C)等を用いてもよい。n型クラッド層30は、1μm〜3μm程度の厚さを有し、例えば、2μm程度の厚さを有している。n型クラッド層30は、単層でもよく、多層構造でもよい。

0019

中間層40は、n型クラッド層30上に形成されている。中間層40は、少なくともシリコン(Si)、アルミニウム(Al)および窒素(N)を含む層であり、例えば、不純物としてSiがドープされたAlGaN層である。

0020

多重量子井戸層を含む活性層50は、中間層40上に形成されている。活性層50は、AlrGa1−rNを含んで構成される多重量子井戸層の中間層40側の障壁層52a、及び後述する電子ブロック層60側の障壁層52cを含む3層の障壁層52a,52b,52cとAlsGa1−sNを含んで構成される3層の井戸層54a,54b,54c(0≦r≦1、0≦s≦1、r>s)とを交互に積層した多重量子井戸層を含む層である。活性層50は、波長360nm以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが3.4eV以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、活性層50に障壁層52及び井戸層54は各3層ずつ設けたが、必ずしも3層に限定されるものではなく、2層以下でもよく、4層以上でもよい。

0021

電子ブロック層60は、活性層50上に形成されている。電子ブロック層60は、AlNにより形成されている。電子ブロック層60は、1nm〜10nm程度の厚さを有している。なお、電子ブロック層60は、p型のAlGaN(以下、単に「p型AlGaN」ともいう。)により形成された層を含んでもよい。また、電子ブロック層60は、必ずしもp型の半導体層に限られず、アンドープの半導体層でもよい。

0022

p型クラッド層70は、電子ブロック層60上に形成されている。p型クラッド層70は、p型AlGaNにより形成される層であり、例えば、p型の不純物としてマグネシウム(Mg)がドープされたAltGa1-tN層(0≦t≦1)である。なお、p型の不純物としては、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いてもよい。

0023

トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70上に形成されている。トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70とn型半導体層90とをトンネル接合させるものである。すなわち、トンネルジャンクション80は、p型半導体層の価電子帯の電子をn型半導体層の伝導帯トンネルさせ、p型半導体層の価電子帯に正孔を発生させるものである。

0024

トンネルジャンクション80は、p型クラッド層70側に位置するp型層82と、n型半導体層90側に位置するn型層84と、p型層82及びn型層84の間に配置された歪補償層86とを含んで構成されている。

0025

p型層82は、p型の半導体を含む層であり、例えば、Mg等の不純物が高濃度にドープされたp型のGaN(以下、「pGaN」ともいう。)により形成されたpGaN層である。

0026

なお、p型層82を形成する半導体材料は、必ずしもpGaNに限定されるものではなく、例えば、p型AlGaNや、p型のInGaN、あるいはp型のAlInGaNでもよい。p型層82にAlが含まれる場合、Al組成比は、好ましくは、0.2以下である。p型層82にInが含まれる場合、In組成比は、好ましくは、0.2以下である。換言すれば、p型層82は、p型のAlaInbGa1−a−bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成された層である。

0027

p型層82の厚さは、好ましくは、10nm以下、より好ましくは、5nm以下である。

0028

n型層84は、n型の半導体を含む層であり、例えば、Si等の不純物がドープされたn型のGaN(以下、「nGaN」ともいう。)により形成されたnGaN層である。

0029

なお、n型層84を形成する半導体材料は、必ずしもnGaNに限定されるものではなく、例えば、n型AlGaNや、n型のInGaN、あるいはn型のAlInGaNでもよい。n型層84にAlが含まれる場合、Al組成比は、好ましくは、0.2以下である。n型層84にInが含まれる場合、In組成比は、好ましくは、0.2以下である。換言すれば、n型層84は、n型のAlcIndGa1−c−dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成された層である。

0030

n型層84の厚さは、好ましくは、10nm以下、より好ましくは、5nm以下である。

0031

歪補償層86は、p型層82を形成する材料のAl組成比及びn型層84を形成する材料のAl組成比よりも大きいAl組成比を有する材料により形成されている。歪補償層86は、例えば、AlNにより形成された層である。

0032

なお、歪補償層86は、AlNにより形成されたものに限られず、例えば、AlGaNにより形成されているものでもよい。この場合、歪補償層86を形成するAlGaNのAl組成比は、0.8以上である。換言すれば、歪補償層86は、AlZGa1−ZN(0.8≦z≦1.0)により形成された層である。

0033

歪補償層86の厚さは、好ましくは、5nm以下、より好ましくは、3nm以下である。

0034

次に、トンネルジャンクション80を構成する各層の格子定数と格子不整率について図2を参照して説明する。図2は、GaN及びAlNの格子定数及び格子不整率を示す図である。図2に示すように、p型層82を構成するpGaNの格子定数及びn型層84を構成するnGaNの格子定数は、0.318nm程度であるのに対し、AlNの格子定数は、0.311nmである。また、p型クラッド層70を構成するAltGa1-tN(0≦t≦1)の格子定数は、0.311nmから0.318nmであり、特に、Al0.5Ga0.5Nの格子定数は、0.3145である。

0035

格子不整率とは、歪の度合いを示す歪量をいう。図2に一例として、Al0.5Ga0.5Nとの間に生じる格子不整率を示す。pGaN及びnGaNとAl0.5Ga0.5Nとの間に生じる格子不整率は、+1.11((0.318−0.3145)/0.3145=0.0111)である。AlNとAl0.5Ga0.5Nとの間に生じる格子不整率は、−1.11((0.311−0.3145)/0.3145=−1.111)である。ここで、「+」は、圧縮方向の歪みを示し、「−」は、圧縮方向の歪みを相殺する引張方向の歪みを示している。

0036

上述のように、p型層82及びn型層84には、圧縮方向の歪みが生じている。格子不整率に厚さ(nm)を乗じた値が所定の値(例えば、30%・nm)を超えると、結晶品質が低下する虞がある。

0037

これに対して、歪補償層86には、圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みが生じている。そのため、p型層82及びn型層84の間にこの歪補償層86を配置することにより、p型層82及びn型層84に生じている圧縮方向の歪みを相殺することができる。すなわち、歪補償層86は、トンネルジャンクション80に生じる圧縮歪を補償する役割を担う層である。

0038

トンネルジャンクション80上には、n型の半導体を含むn型半導体層90が形成されている。n型半導体層90は、n型AlGaNにより形成された層であり、例えば、n型の不純物としてシリコン(Si)がドープされたAluGa1−uN層(0≦u≦1)である。好ましくは、n型半導体層90を構成するn型AlGaNの組成は、n型クラッド層30を構成するn型AlGaNの組成と略等しい、すなわち、q=uである。

0039

カソード電極100は、n型クラッド層30の一部の領域上に形成されている。カソード電極100は、例えば、n型クラッド層30の上に順にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)/Ti/金(Au)が順に積層された多層膜で形成されている。

0040

アノード電極120は、n型半導体層90上に形成されている。アノード電極120は、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/金(Au)が順に積層された多層膜で形成されている。

0041

(実施の形態の作用及び効果)
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る発光素子1では、圧縮歪を補償する歪補償層86を含むトンネルジャンクション80を備えている。これにより、高い発光効率を実現しつつ、トンネルジャンクション80の歪みを抑制することにより結晶品質の低下を抑制することが可能となる。また、結晶品質の低下が抑制されることにより、転位の発生が抑制されることが期待できる。さらに、トンネルジャンクション80の歪みが抑制されることにより、活性層へのホール注入効率の低下が抑制され、その結果、低駆動電圧で駆動できるようになることが期待される。またさらに、トンネルジャンクション80の歪みが抑制されることにより、トンネルジャンクション80での電圧上昇が抑制され、その結果、発光素子1の寿命を長きできることが期待できる。

0042

(実施形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

0043

[1]p型AlGaNによって形成されたp型クラッド層(70)と、前記p型クラッド層(70)上に位置して、前記p型クラッド層(70)にn型の半導体を含むn型半導体層(90)をトンネル接合させるトンネルジャンクション(80)とを含む窒化物半導体発光素子(1)であって、前記トンネルジャンクション(80)は、該トンネルジャンクション(80)の圧縮歪を補償する歪補償層(86)を含む、窒化物半導体発光素子(1)。
[2]前記トンネルジャンクション(80)は、前記p型クラッド層(70)側に位置するp型の半導体を含むp型層(82)と、前記n型半導体層(90)側に位置するn型の半導体を含むn型層(84)とを含み、前記歪補償層(86)は、前記p型層(82)及びn型層(84)の間に設けられている、前記[1]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[3]前記歪補償層(86)は、前記p型層(82)及びn型層(84)に生じる圧縮方向の歪みを相殺する方向の引張方向の歪みを有する、前記[2]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[4]前記歪補償層(86)は、前記p型半導体のAl組成比及び前記n型半導体のAl組成比よりも大きいAl組成比を有する材料により形成されている、前記[2]又は[3]に記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[5]前記p型層(82)は、p型のAlaInbGa1−a—bN(0≦a≦0.2、0≦b≦0.2)により形成されている、前記[1]から[4]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[6]前記n型層(84)は、n型のAlcIndGa1−c—dN(0≦c≦0.2、0≦d≦0.2)により形成されている、前記[1]から[5]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[7]前記歪補償層(86)は、AlzGa1−zN(0.8≦z≦1.0)により形成されている、前記[1]から[6]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[8]前記歪補償層(86)は、5nm以下の厚さを有する、前記[1]から[7]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[9]前記p型層(82)は、10nm以下の厚さを有する、前記[1]から[8]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。
[10]前記n型層(84)は、10nm以下の厚さを有する、前記[1]から[9]のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子(1)。

0044

1…窒化物半導体発光素子(発光素子)
2…下地構造部
10…基板
20…バッファ層
22…AlN層
24…u−AlpGa1−pN層
30…n型クラッド層
40 中間層
50…活性層
52,52a,52b,52c…障壁層
54,54a,54b,54c…井戸層
60…電子ブロック層
70…p型クラッド層
80…トンネルジャンクション
82…p型層
84…n型層
86…歪補償層
90…n型半導体層
100…カソード電極
120…アノード電極

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