説明

III族窒化物半導体発光素子

【課題】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。
【解決手段】III 族窒化物半導体発光素子は、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上およびドット状構造体16上にITO電極17が形成されている。ドット状構造体16は、pコンタクト層15表面にドット状のAlGaNが点在した構造である。ドット状構造体16のAlが酸素と結合するため、pコンタクト層15とITO電極17との界面に酸素が増加する。その結果、pコンタクト層15とITO電極17とのコンタクト抵抗が低減される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2006−80469
【特許文献2】特開2005−260245
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
第1の発明は、p型のIII 族窒化物半導体からなる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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【発明の効果】
【0022】
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。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】コンタクト抵抗を比較したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0024】
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。
【実施例1】
【0025】
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。
【0026】
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、Ga2 3 などを用いることができる。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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(C5 5 2 )、キャリアガスとしてH2 とN2 である。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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))。
【0044】
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))。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【産業上の利用可能性】
【0049】
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。
【符号の説明】
【0050】
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

【特許請求の範囲】
【請求項1】
p型のIII 族窒化物半導体からなる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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−26426(P2013−26426A)
【公開日】平成25年2月4日(2013.2.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−159506(P2011−159506)
【出願日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【出願人】(000241463)豊田合成株式会社 (3,467)
【Fターム(参考)】