JP2007165405A

JP2007165405A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2007165405A
Application number: JP2005356768A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Takano; 隆好高野; Masaharu Yasuda; 正治安田; Yukihiro Kondo; 行廣近藤; Nobuyuki Takakura; 信之高倉; Junji Ikeda; 順治池田; Hideo Kawanishi; 英雄川西
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、光取出し効率を向上する。
【解決手段】ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、発光層７のＡｌの含有量を調整して、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整し、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が含まれ、２４０ｎｍでＴＭモードの発光が支配的になる。これを利用して、素子端面での反射率が低く、光を素子外部に取出し易いそのＴＭモードで素子端面から放射された光を使用する。したがって、基板２の表面やｐ型窒化物半導体層９の表面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する発光ダイオードに関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する発光ダイオードの発展が目覚しい。前記III−Ｎ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。

たとえば、紫あるいは紫外線領域の光を発光する発光ダイオードの構造は、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ^＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層とコンタクト層とを設け、発光層の上部にはマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（ｘ１＜０．０８）から成るｐ−クラッド層と、前記ｐ−クラッド層の上部にｐ−ＧａＮのコンタクト層とを設けて構成されている。これらの発光ダイオードでは、発光層にて発生した光の一部が、発光層上部のｐ−ＧａＮのコンタクト層やｐ−クラッド層において吸収が起こり、紫外発光領域で発光出力を高くするのは困難である。

そこで、このような問題を解決する方法として、特許文献１〜３等が知られている。特許文献１に係る半導体発光素子では、波長が４３０ｎｍ以下である光を発光する発光層上に、マグネシウム（Ｍｇ）が添加され、０．０８≦ｘ１≦０．３であるｐ型のＡｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎから成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層を有し、前記発光層の下に、シリコン（Ｓｉ）が添加され、０＜ｘ２≦０．３であるｎ型のＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎから成り、吸収する光の波長を前記発光波長より短波長側にずらしたクラッド層を有する構造として、ｐクラッド層およびｎクラッド層のバンドギャップを大きくして、発光層で発光した光が吸収されないようにしている。

また、特許文献２に係る半導体発光素子では、サファイアを支持基板として、その上にｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、これらの間に設けられた発光層とを備え、前記発光層にＭｇがドーピングされたｐ型導電性のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含んで成り、４００ｎｍ以下の紫外域に発光ピークを有する構造としている。

さらにまた、特許文献３においては、基板上に、発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下であって、Ｉｎを含む窒化物半導体層から成る発光層を有し、その上のｐ型窒化物半導体層として、ｐ電極と接するｐ型コンタクト層が、ｐ電極と接する側に、ｐ型不純物を高濃度で含有するＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ＜０．０５）を含んで成る第１のｐ型コンタクト層と、前記第１のｐ型コンタクト層の発光層側に第１のｐ型コンタクト層と接して、ｐ型不純物を第１のｐ型コンタクト層より低濃度で含有し、さらにＡｌ組成比が第１のｐ型コンタクト層より高いＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ＜０．１）を含んで成る第２のｐ型コンタクト層とが複数周期繰返して形成されて成り、さらに、ｎ型窒化物半導体層として、ｎ電極と接するｎ型コンタクト層が、Ａｌ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０＜ｄ＜０．１）を含む構造とすることで、電子、正孔の注入効率を向上している。
特開２００４−６９７０号公報特開２００３−２５８２９８号公報特開２００１−３２００８５号公報

上述の従来技術は、いずれも発光強度自体を高めることで発光光量を増加しており、前述の大気中への光取出し効率を向上するものではない。したがって、発光光量が増加しても、素子内部での光吸収による発熱も多く、結果的に発光光量の大きい素子を作成することができないという問題がある。

本発明の目的は、光取出し効率を向上することができる発光ダイオードを提供することである。

本発明の発光ダイオードは、ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、前記発光層における主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域であり、該発光層の端面から放射された光を使用することを特徴とする。

上記の構成によれば、ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、発光層のＡｌの含有量を調整するなどして、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整し、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が含まれ、２４０ｎｍでＴＭモードの発光が支配的になる。前記ＴＭモードでは、素子端面での反射率が低く、光を素子外部に取出し易い。このため、素子内部での多重反射が抑制され、不純物等に起因する吸収が起こりにくくなる。

したがって、素子端面から放射された光を使用することで、基板面やｐ型窒化物半導体層面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の発光ダイオードでは、前記発光層は、ＡｌＧａＮの多重量子井戸構造から成り、井戸層はＡｌ_０．６７Ｇａ_０．３３Ｎから成り、障壁層はＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、主波長ピークが２４０ｎｍで、ＴＭモードの発光が支配的で、上述のような素子端面からの光取出しに好適な発光ダイオードを実現することができる。

さらにまた、本発明の発光ダイオードは、ｃ面４Ｈ−ＳｉＣ基板上に、ＧａＮ／ＡｌＮによる多重バッファ層と、ＡｌＮテンプレート層と、Ｓｉを不純物とし、Ａｌ_０．８４Ｇａ_０．１６Ｎから成る第１のｎ型窒化物半導体層およびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成る第２のｎ型窒化物半導体層とを積層した後、前記発光層を積層し、さらにＭｇを不純物とし、Ａｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成る第１のｐ型窒化物半導体層およびＧａＮから成る第２のｐ型窒化物半導体を積層させて成ることを特徴とする。

本発明の発光ダイオードは、以上のように、ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、発光層のＡｌの含有量を調整するなどして、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整し、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が多くなり、２４０ｎｍでＴＭモードの発光が支配的になることを利用して、素子端面での反射率が低く、光を素子外部に取出し易いそのＴＭモードで素子端面から放射された光を使用する。

それゆえ、基板面やｐ型窒化物半導体層面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる。

図１は、本発明の実施の一形態に係る発光ダイオード１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、ｃ軸配向した基板２上に、多重バッファ層３と、ＡｌＮテンプレート層４と、第１のｎ型窒化物半導体層５と、第２のｎ型窒化物半導体層６と、発光層７と、第１のｐ型窒化物半導体層８と、第２のｐ型窒化物半導体層９とが積層された後、ｐ型電極１０およびｎ型電極１１が形成されて構成されている。

以下に、製造工程を説明するが、この工程は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用た例を示している。しかしながら、製造方法は前記成長法に限らず、図１に示す構造が得られれば良い。他の製造方法としては、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線成長法（ＭＢＥ）、スパッタ法などがある。

前記基板２は、ｃ面４Ｈ−ＳｉＣから成り、その上に多重バッファ層３が積層される。この多重バッファ層３は、基板２側を、前記４Ｈ−ＳｉＣに格子定数が近いＡｌＮとして、各２ｎｍのＡｌＮ／ＧａＮによるペア層が多重、たとえば５層積層されて成り、後述するＡｌＮテンプレート層４内の貫通転位を減少させるだけでなく、残留歪みを減少させること目的として導入されている。具体的には、先ず前記４Ｈ−ＳｉＣ基板２を反応管に導入した後、管内圧力を５０ｍｂａｒに保ち、水素雰囲気中、１３００℃で１０分間加熱することで、基板２表面の汚れを取り除く。前記処理後、管内圧力は５０ｍｂａｒを保持したまま、基板２の温度を１１５０℃に設定し、同時に、Ｎの原料であるアンモニア（ＮＨ_３）を２ＳＬＭの流量で流しながら、Ａｌ、Ｇａの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、それぞれ２０ＳＣＣＭ（standard cc per minute）および１０ＳＣＣＭで、交互に供給し、ＧａＮおよびＡｌＮを、それぞれ前記２ｎｍの膜厚で積層させる。こうして、超格子構造から成る（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３を形成することができる。

続いて、その（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３上にＡｌＮテンプレート層４を形成する。具体的には、前記（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３の形成後、基板２の温度を１３００℃にした状態で、Ａｌの原料であるＴＭＡｌを４００ＳＣＣＭおよびＮの原料であるアンモニアを１００ＳＣＣＭ同時に供給することで、該ＡｌＮテンプレート層４を、たとえば１．５μｍ形成する。この時、前記（ＧａＮ／ＡｌＮ）多重バッファ層３によって、ＡｌＮテンプレート層４のｃ軸格子定数は、歪の無い場合の格子定数（４．９８２Å）になるように制御されている。ただし、このテンプレート層４は、ＡｌＮに限定されるものではなく、たとえばＡｌＧａＮ三元混晶でもよい。

続いて、Ｓｉを不純物とし、ＡｌＧａＮ三元混晶を用いて、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮから成る前記テンプレート層４と格子定数の近いｎ型窒化物半導体層５，６を形成する。ｎ型窒化物半導体層５，６は、本実施の形態では、Ａｌ組成の異なる２層のＡｌＧａＮとしている。第１のｎ型窒化物半導体層５は、Ａｌ組成が８４％のＡｌ_０．８４Ｇａ_０．１６Ｎから成り、第２のｎ型窒化物半導体層６は、Ａｌ組成を７６％のＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成り、それぞれ０．８μｍ、０．１μｍの厚さで順次積層させる。前記２層のＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成屈折率は、１層目５から２層目６へ行くに従い大きくなるように設定することによって、発光層７で生じた光が、２層のｎ−ＡｌＧａＮ層５，６の界面で反射される割合が増加するので、４Ｈ−ＳｉＣ基板２に吸収される割合を減少させることができる。このｎ型窒化物半導体層５，６の具体的な成長温度および管内圧力の一例は、１２００℃、１００ｍｂａｒであり、ｎ型伝導性を得るための不純物として前記Ｓｉを採用し、そのＳｉの原料には、シラン（ＳｉＨ_４）を用い、流量は２０ＳＣＣＭである。こうして、２層から成るｎ型窒化物半導体層５，６を形成することができる。

続いて、発光層７を形成する。本実施の形態では、発光層７には、極薄膜からなる多重量子井戸構造（井戸層および障壁層から構成される）を採用する。井戸層および障壁層の組成は、それぞれＡｌ_０．６７Ｇａ_０．３３ＮおよびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎである。障壁層に用いているＡｌＧａＮの組成は、２層目の前記ｎ型窒化物半導体層６と等しくなるようにしている。また、本実施の形態では、井戸層の数は３であり、井戸層および障壁層の厚さは、共に１０ｎｍとしている。成長温度および管内圧力は、１２００℃、１００ｍｂａｒとし、材料を輸送するためのキャリアガスには、水素を用いる。こうして、四元混晶を用いた発光層７を形成することができる。

次に、Ｍｇを不純物とし、ｐ型窒化物半導体層８，９を形成する。本実施の形態では、ｐ型窒化物半導体層８，９は２層から構成されており、その組成は、発光層７側から、Ａｌ_０．７６Ｇａ_０．２４ＮおよびＧａＮである。厚さはそれぞれ、１００ｎｍおよび２０ｎｍである。成長温度および管内圧力は、１１００℃および１００ｍｂａｒであり、材料を輸送するためのキャリアガスには、水素を用いる。ｐ型伝導性を得るための不純物としては、前記Ｍｇを採用し、Ｍｇの原料には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、流量は、各ｐ型窒化物半導体層８，９共、４０ＳＣＣＭである。こうして、ｐ型窒化物半導体層８，９を形成することができる。

続いて、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、第２のｐ型窒化物半導体層９および第１のｎ型窒化物半導体層５上に、それぞれｐ型電極１０およびｎ型電極１１を形成する。具体的には、先ず第２のｐ型窒化物半導体層９上にＰｄ／Ａｕを蒸着し、ｐ型電極１０とする。さらに、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてパターン形成し、その後ドライエッチングによって前記第１のｎ型窒化物半導体層５が露出するまで除去し、露出した部分にＴｉ／Ａｕを蒸着し、ｎ型電極１１とする。こうして、電極１０，１１を形成した後、樹脂などで封止されて発光ダイオード１が完成する。

上述のように構成される発光ダイオード１において、従来の紫あるいは紫外線領域の光を発光するIII族窒化物半導体にて構成された発光層を有する発光ダイオードでは、発光層に用いる材料にＩｎを含んでいるので、バンドギャップの関係から、３６５ｎｍ以下の短波長での発光が困難であるのに対して、本実施の形態の発光ダイオード１では、発光層７にＩｎを含んでいないので、さらに短波長での発光が可能である。好ましくは、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域であり、前記Ａｌ_０．６７Ｇａ_０．３３Ｎの井戸層およびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎの障壁層を用いることで、２４０ｎｍ程度での発光が可能になる。

ここで、図２には、ＧａＮ（ａ）およびＡｌＮ（ｂ）におけるエネルギーバンドと光の伝播モードとを模式的に示す。前記光の伝播モードには、ＴＥモードとＴＭモードとがあり、価電子帯のエネルギーバンドの構造に大きく依存する。図２（ａ）で示すように、ＧａＮの場合、荷電子帯の一番上にはＴＥモードを許容する準位があるのに対して、図２（ｂ）で示すように、ＡｌＮの場合、ＴＥおよびＴＭモードを許容する準位がある。従って、Ａｌ含有量の多いＡｌＧａＮを発光層７に導入することで、ＴＭモードで発光する割合を増加させることができると考えられる。

そこで、図３〜図５には、本件発明者の実験結果を示し、波長の違いによる発生光の伝播モードを示す。その実験は、上述の発光ダイオード１と同様の工程で作製される試料を用いて、図６で示すようにして行った。図６の試料２１において、前述の発光ダイオード１と同様の構成には、同一の参照符号を付して示す。この試料２１は、前述の発光ダイオード１の発光層７を露出したものとなっている。

実験は、波長１９３ｎｍを有するＡｒＦエキシマレーザを、参照符号２２で示すように試料２１の表面に照射し、試料２１の端面から得られる発光を、光センサ２３で観察する、いわゆるフォトルミネッセンス測定で行った。そして、発光モードの観察は、試料２１と光センサ２３との間に、回転式の偏光板２４を導入することで行った。試料２１からの発光がＴＭモードの場合、偏光板の角度が０°または１８０°の時に発光ピークの強度が極大となる。これに対して、試料２１からの発光がＴＥモードの場合、９０°の時に発光ピーク強度が極大となる。

図３〜図５は、上記手法によって、室温下で行ったフォトルミネッセンス測定結果であり、横軸が発光波長、縦軸が強度である。図３は、本発明の構造の測定結果であり、Ａｌ組成が高く（７６％）、ＡｌＮに性質が近い。また、図４は、発光層７の材料に同じくＡｌＧａＮを用いているが、Ａｌ組成の少ない（４％）試料の測定結果であり、ＧａＮに性質が近い。図３と図４とで発光波長帯が大きく異なっているのは、発光層７におけるそのＡｌ組成の違いに起因している。

図４では、偏光板が９０°の時に強度が最大となるピークが観察されていることから、試料の発光にはＴＥモードが含まれていることが理解される。これに対して、図３では、０°および１８０°で最大となるピークのみ観察された。したがって、ＴＭモードのみが観察されていることが理解される。以上のことから、発光層７のＡｌ組成を増加させることで、バンド構造がＧａＮからＡｌＮに近付いていることが理解される。

ここで、発光素子から光を取出す場合、素子端面の反射率がその効率に大きく依存し、一般的に素子端面の反射率は、ＴＥモードに比べ、ＴＭモードの方が低く、光を素子外部に取出し易く、取出すことで素子内部での多重反射が抑制されるので、吸収が起こりにくくなる。

したがって、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどから成る半導体層の内、上述のように発光層７のＡｌの含有量を調整して、価電子帯のエネルギーバンド構造を調整することで、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が多くなり、図１において参照符号１２で示すように端面から放射された光を使用することで、基板２の表面やｐ型窒化物半導体層９の表面から取出しを行う場合に比べて、光取出し効率を向上することができる青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。

なお、図５は、Ａｌ組成が３０（％）の場合のデータであり、波長２９０ｎｍでも、ＴＥモードがわずかに観察されている。したがって、主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域とすると、光の伝播モードとして、ＴＥモードとＴＭモードとの内、ＴＭモードの発光が含まれ、好ましい。また、２４０ｎｍでは、ＴＭモードの発光が支配的になり、一層好ましい。

また、本実施の形態の発光ダイオードでは、ｐ型電極１０や基板２から光の取出しを行わないので、基板２を剥離して、ｎ型電極１１をｎ型窒化物半導体層５の裏面に設けることで、厚み方向に大量の電流を流すことができる。或いは、従来通り、エスケープコーンに入った光は、ｐ型電極１０や基板２から光の取出しを行い、前記エスケープコーンに入らず、面方向に伝播した光を端面から取出すようにしてもよい。

本発明の実施の一形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。ＧａＮおよびＡｌＮにおけるエネルギーバンドと光の伝播モードとを模式的に示す図である。本件発明者の実験結果を示すグラフであり、一実施形態でのフォトルミネッセンス測定の結果を示す。本件発明者の実験結果を示すグラフであり、参考例でのフォトルミネッセンス測定の結果を示す。本件発明者の実験結果を示すグラフであり、他の実施形態でのフォトルミネッセンス測定の結果を示す。前記図３〜図５の実験に用いた試料の構造を示す断面図である。

符号の説明

１発光ダイオード
２基板
３多重バッファ層
４ＡｌＮテンプレート層
５第１のｎ型窒化物半導体層
６第２のｎ型窒化物半導体層
７発光層
８第１のｐ型窒化物半導体層
９第２のｐ型窒化物半導体層
１０ｐ型電極
１１ｎ型電極
２１試料
２２レーザ照射
２３光センサ
２４偏光板

Claims

ｃ軸配向した基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成る発光ダイオードにおいて、
前記発光層における主波長ピークが２９０ｎｍ以下の紫外領域であり、該発光層の端面から放射された光を使用することを特徴とする発光ダイオード。
前記発光層は、ＡｌＧａＮの多重量子井戸構造から成り、井戸層はＡｌ_０．６７Ｇａ_０．３３Ｎから成り、障壁層はＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成ることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
ｃ面４Ｈ−ＳｉＣ基板上に、ＧａＮ／ＡｌＮによる多重バッファ層と、ＡｌＮテンプレート層と、Ｓｉを不純物とし、Ａｌ_０．８４Ｇａ_０．１６Ｎから成る第１のｎ型窒化物半導体層およびＡｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成る第２のｎ型窒化物半導体層とを積層した後、前記発光層を積層し、さらにＭｇを不純物とし、Ａｌ_０．７６Ｇａ_０．２４Ｎから成る第１のｐ型窒化物半導体層およびＧａＮから成る第２のｐ型窒化物半導体を積層させて成ることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード。