JP3543809B2

JP3543809B2 - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP3543809B2
Application number: JP2002194542A
Authority: JP
Inventors: 芳克福田; 陽藤岡
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP2003115610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体（例えば、ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦１）を用いた窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は青色発光素子（ＬＥＤ，ＬＤ）、純緑色発光素子を構成することができる半導体材料として注目されて、活発に研究開発が進められている。現在、この窒化物半導体を用いた素子として、高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤ等がフルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の光源として実用化されているが、今後ますます幅広い用途に使用されることが期待される。これらのＬＥＤ素子は基本的に、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＧａＮを有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）の活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、例えば、２０ｍＡにおいて、発光波長４５０ｎｍの青色ＬＥＤで５ｍＷ、外部量子効率９．１％、５２０ｎｍの緑色ＬＥＤで３ｍＷ、外部量子効率６．３％と非常に優れた特性を示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後窒化物半導体素子の用途が広がるに従って、発光強度及び発光効率に加え、リーク電流の低減や静電耐圧の向上がさらに望まれることが予想される。
【０００４】
そこで、本発明はリーク電流が低くかつ静電耐圧の高い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体素子は、それぞれ複数の窒化物半導体層からなるｐ側層とｎ側層の間に窒化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導体素子であって、上記ｐ側層はｐオーミック電極を形成する層としてｐ型コンタクト層を含み、該ｐ型コンタクト層はｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層とが交互に積層されてなることを特徴とする。
このように構成された本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上記ｐ型コンタクト層がｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層とを交互に積層することにより形成されているので、ｐ側が負でｎ側が正の逆方向に電圧が印加された場合に、静電破壊電圧（静電耐圧）を高くできかつリーク電流を小さくできる。これは、主として上記ｐ型コンタクト層内のｐｎ接合に逆バイアス電圧が印加されることによるものと考えられる。
【０００６】
本発明に係る窒化物半導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体層に対するｐ型窒化物半導体層の膜厚比（ｐ型窒化物半導体層の膜厚／ｎ型窒化物半導体層の膜厚）が１以上で９以下に設定されていることが好ましい。
【０００７】
また、本発明に係る窒化物半導体素子において、順方向電圧を上昇させないように、前記ｎ型窒化物半導体層の膜厚が６０Å以下であることが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明に係る窒化物半導体素子において、良好なｎ型導電性を得るために前記ｎ型窒化物半導体層にはＳｉがドープされ、良好なｐ型導電性を得るために前記ｐ型窒化物半導体層にはＭｇがドープされていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る窒化物半導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体層はＳｉがドープされたＧａＮからなり、前記ｐ型窒化物半導体層はＭｇがドープされたＧａＮからなることが好ましく、これによりｐ型コンタクト層の抵抗率をより低くできる。
また、本発明に係る窒化物半導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体層はアンドープ層であり、前記ｐ型窒化物半導体層にはＭｇがドープされていてもよい。この場合、前記ｎ型窒化物半導体層はアンドープＧａＮからなり、前記ｐ型窒化物半導体層はＭｇがドープされたＧａＮからなることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構造を示す模式的断面図であり、本実施の形態の窒化物半導体素子はサファイア基板１の上に、
（１）ＡｌＧａＮよりなるバッファ層２、
（２）アンドープＧａＮ層３、
（３）ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４、
（４）アンドープＧａＮ層５、
（５）ＳｉドープＧａＮ層６、
（６）アンドープＧａＮ層７、
（７）ＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子ｎ型層８、
（８）ＩｎＧａＮ層を井戸層としＧａＮ層を障壁層とする多重量子井戸構造の活性層９、
（９）ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層１０、
（１０）ＭｇドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ変調ドープｐ側コンタクト層１１、
が順に積層された構造を有し、以下のようにｐ側及びｎ側の電極が形成されて構成されている。
【００１１】
ｎオーミック電極２１は、例えば、素子の隅部においてｐ側コンタクト層１１からアンドープＧａＮ層５までをエッチングにより除去して、ｎ型コンタクト層４の一部を露出させ、露出させたｎ型コンタクト層４上に形成する。
また、ｐ側の電極としては、ｐ側コンタクト層１１上のほぼ全面にｐオーミック電極２２を形成し、そのｐオーミック電極２２上の一部にｐパッド電極２３を形成している。
【００１２】
ここで、特に本実施の形態の窒化物半導体素子は、ｐ側コンタクト層１１をＭｇドープＧａＮ層１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１ｂとを交互に積層した変調ドープ層により構成したことを特徴とし、これによりリーク電流を低減しかつ静電耐圧を向上させている。
本実施の形態において、ｐ側コンタクト層１１（ＳｉドープＧａＮ層１１ｂ）における好ましいＳｉのドープ量としては１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３、さらに好ましくは１×１０^１８／ｃｍ^３〜５×１０^１９／ｃｍ^３の範囲に調整する。１×１０^１７／ｃｍ^３以上とすることで、リーク電流を小さくする効果が顕著に現れ、１×１０^２１／ｃｍ^３より大きくなると結晶性が悪くなり、発光効率が低下する傾向にあるからである。
【００１３】
また、ｐ側コンタクト層１１（ＭｇドープＧａＮ層１１ａ）における好ましいＭｇのドープ量としては、１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３、さらに好ましくは１×１０^１９／ｃｍ^３〜３×１０^２０／ｃｍ^３とする。１×１０^１８／ｃｍ^３以上とすることで、ｐオーミック電極とより良好なオーミック接触が得られ、また、１×１０^２１／ｃｍ^３より大きくすると、多量にＳｉをドープする場合と同様、結晶性が悪くなってしまうからである。
【００１４】
また、本発明において、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層１０は、クラッド層として機能し、光の閉じこめ、および活性層への正孔が注入される層となる。
このｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層１０はｐ型とするために、ｐ型不純物、例えば、Ｍｇがドープされるが、ｐ−ＡｌＧａＮ層に対するＭｇのドープ量とｐ−ＩｎＧａＮ層に対するＭｇのドープ量は同一であっても異なっていても良いが、それぞれｐ側コンタクト層のＭｇドープＧａＮ層１１ａのＭｇのドープ量よりも少ない量に設定することが好ましく、これによりＶｆ（順方向電圧）をより低くできる。
また、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層１０のｐ−ＩｎＧａＮ層はＭｇドープのＧａＮ層で構成することもできる。
【００１５】
また、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）超格子ｐ型層１０において、ｐ−ＡｌＧａＮ層及びｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層の各膜厚は、１００Å以下、より好ましくは７０Å以下、よりいっそう好ましくは１０〜４０Åの範囲に設定する。この場合、ｐ−ＡｌＧａＮ層の膜厚とｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層の膜厚は、同一であっても異なっていても良い。超格子ｐ型層１０は、ｐ−ＡｌＧａＮ層とｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層を交互に成長させて形成するが、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮ層から積層してｐ−ＡｌＧａＮ層で終わってもよく、ｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層から始めてｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）層で終わってもよい。しかしながら、ＩｎＧａＮ層は熱分解しやすいので、ＩｎＧａＮ層の表面が長時間、高温雰囲気中に曝されないように、ｐ−ＡｌＧａＮ層で終わっていることが好ましい。
【００１６】
さらに、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）超格子ｐ型層１０の総膜厚は、発光出力を高くしかつＶｆを低くするために、２０００Å以下に設定することが好ましく、より好ましくは１０００Å以下、さらに好ましくは５００Å以下に設定する。
また、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）超格子ｐ型層１０の各膜厚は、ｐ型コンタクト層の各膜厚よりも薄くすることが好ましい。すなわち、多層膜のｐ型コンタクト層に隣接する層を超格子層とし、各膜厚をｐ型コンタクト層のｎ型層及びｐ型層のそれぞれの膜厚よりも薄くすることで、さらに静電耐圧の高い窒化物半導体素子を構成できる。
【００１７】
又、本実施の形態では、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層１０を用いた形について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、少なくとも、ＡｌＧａＮを有していれば良く、ＡｌＧａＮ単一層でもよい。ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子とすることで、ＡｌＧａＮ単一層と比べて結晶性が良くなり、抵抗率がさらに低下しＶ_ｆが低下する傾向にある。
【００１８】
以上の実施の形態では、Ｖｆを低くするために、好ましい形態として、ｐ型コンタクト層をそれぞれＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層（ＳｉドープＧａＮ層）とｐ型窒化物半導体層（ＭｇドープＧａＮ層）により構成したが、本発明はこれに限られるものではない。また、微量のＩｎを含むＩｎＧａＮもしくは微量のＡｌを含むＡｌＧａＮであれば、実質的にＧａＮと同様の効果が得られる。また、その他の微量の元素（Ｉｎ，Ａｌ以外の元素）がＧａＮに含まれていても同様、ＧａＮと同等の効果が得られる。
【００１９】
また、上述の実施の形態では、ｐ型コンタクト層を構成するｎ型窒化物半導体層としてＳｉドープＧａＮ層を用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、ｎ型窒化物半導体層はアンドープ層のｎ型層で構成してもよい。すなわち、本発明では、アンドープの窒化物半導体層がｎ型の導電性を示すことを利用して、ｎ型窒化物半導体層としてアンドープの窒化物半導体層を用いても良い。尚、ｎ型窒化物半導体層としてアンドープの窒化物半導体層を用いる場合、アンドープのＧａＮ層を用いることが好ましい。より好ましくは、アンドープのＧａＮ層とＭｇドープのＧａＮ層とを組み合わせて、ｐ型コンタクト層を構成する。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明についてより具体的に説明する。
実施例１．
まず、実施例１として、ｐ側コンタクト層１１におけるＭｇドープＧａＮ層１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１ｂの膜厚比を変えた３種類のサンプルを作製して、逆方向の静電耐圧特性をそれぞれ評価した。
本実施例１において、各半導体層の膜厚は表１に示すように設定し、各サンプルのｐ側コンタクト層１１におけるＭｇドープＧａＮ層１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１ｂの膜厚の比は表２に示すようにした。
【００２１】
表１

【００２２】
表２

尚、本実施例１において、ＧａＮ層１１ａのＭｇドープ量は１×１０^２０ｃｍ^−３とし、ＧａＮ層１１ｂのＳｉドープ量は５×１０^１８ｃｍ^−３とした。
また、各サンプルは１つのＧａＮ層１１ａと１つのＧａＮ層１１ｂとを１周期として１０周期とした。
【００２３】
以上のようにして作製したサンプル１〜３においてそれぞれ静電破壊電圧を評価した結果を図２のグラフに示す。
尚、図２のグラフの縦軸は基準サンプル（比較例）の静電破壊電圧により規格化した値で示している。この基準サンプルはｐ側コンタクト層をＭｇが１×１０^２０ｃｍ^−３ドープされたＧａＮからなる単層とした以外は実施例１と同様に構成されている。
図２のグラフに示すように、本実施例１のサンプル１〜３のいずれのサンプルについても、静電破壊電圧が比較例より向上していることが確認された。
また、これにより膜厚比を７：３とすることで、静電破壊電圧を最も高くできることが確認された。
【００２４】
実施例１の変形例
実施例１では、超格子ｐ型層と、ｐ型コンタクト層１１の間に、不純物濃度が低いＡｌＧａＮ又はＧａＮ層を形成することができ、これにより、より静電耐圧を高くできる。この低濃度ＡｌＧａＮ又はＧａＮ層は好ましくは０．５μｍ以下、例えば、０．２μｍの膜厚で形成する。この層は、アンドープで形成してもよく、ｐ型不純物、例えばＭｇをドープしながら形成しても良いが、Ｍｇをドープしながら形成する場合は、隣接する層のＭｇ濃度よりも低くなるようにする。このようにすると、実施例１の素子に比較して、より静電耐圧を高くできる。
【００２５】
実施例２．
実施例１のサンプル１〜３に、ＭｇドープＧａＮ層１１ａの膜厚を３６ÅとしＳｉドープＧａＮ層１１ｂの膜厚を８４Åとしたサンプル４を加え、各サンプルについてそれぞれ、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂにおけるＳｉドープ量を０〜１．５×１０^１９ｃｍ^−３まで変化させて各サンプルについて、順方向電圧と発光出力を評価した。
その結果を図３、図４に示す。
この図３に示すように、サンプル１〜３においては、順方向電圧を上昇させることがないことが確認され、図４に示すように発光出力についてはサンプル１〜４はいずれも基準サンプルと同等又はそれ以上であることが確認された。
尚、図４のＥ＋１８及びＥ＋１９は、それぞれ（×１０^１８）及び（×１０^１９）を意味するものであり、単位はｃｍ^−３である。
【００２６】
実施例３．
実施例３では、ＭｇドープＧａＮ層１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１ｂとの積層周期を１０周期と固定し、ＭｇドープＧａＮ層１１ａの膜厚を８４ÅとしＳｉドープＧａＮ層１１ｂの膜厚を３６Åとしたサンプルにおいて、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂのＳｉドープ量を、１．０×１０^１８／ｃｍ^３、２．５×１０^１８／ｃｍ^３、５×１０^１８／ｃｍ^３とした３種類のサンプルを作製して、その静電破壊電圧を測定した。
その結果を、図５に示す。
図５に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂにおけるＳｉドープ量が増加するほど、静電破壊電圧が向上することが確認された。
【００２７】
実施例４．
実施例４では、ＭｇドープＧａＮ層１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１ｂとの膜厚比を７：３に固定し、その周期を変えた、以下の表３の５種類のサンプルを作製して、それぞれ順方向電圧、発光出力及び静電破壊電圧について測定した。
表３

ここで、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂのＳｉドープ量は、５×１０^１８／ｃｍ^３とした。
その結果を、図６、図７及び図８に示す。
図６及び図７に示すように、順方向電圧及び発光出力は積層周期数にはほぼ依存しないことが確認された。
また、図８に示すように、静電破壊電圧は、１０周期の場合が最も高くなり、次は１５周期の場合であった。
【００２８】
実施例５．
実施例５では、ＭｇドープＧａＮ層１１ａの膜厚（８４Å）とＳｉドープＧａＮ層１１ｂの膜厚（３６Å）の比を７：３とし、それを１周期として１０周期繰り返して構成したコンタクト層において、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂのＳｉドープ量を０〜１．５×１０^１９／ｃｍ^３の範囲で種々変化させて順方向電圧と発光出力を評価した。
その結果を図９、図１０に示す。
図９に示すように、発光出力及び順方向電圧はＳｉドープＧａＮ層１１ｂのＳｉドープ量にはほとんど依存しないことが確認された。
【００２９】
実施例６．
実施例６では、ＭｇドープＧａＮ層１１ａの膜厚（８４Å）とＳｉドープＧａＮ層１１ｂの膜厚（３６Å）の比を７：３とし、それを１周期として１０周期繰り返して構成したコンタクト層において、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂのＳｉドープ量を０〜１．５×１０^１９／ｃｍ^３の範囲で種々変化させた各サンプルにおいて、ホール測定を熱アニールの前後で行った。
尚、熱処理は、６５０℃、０．５時間で行った。
その結果を図１１に示す。
その結果、ＳｉドープＧａＮ層１１ｂに、５×１０^１８／ｃｍ^３、１×１０^１９／ｃｍ^３の比較的ドープ量の多いサンプルについては、熱アニールにより抵抗率の減少が顕著であることが確認された。
また、これらの抵抗率は、ｐ−コンタクト層をｐ−ＧａＮの単層膜で構成した場合の抵抗率である１０Ω・ｃｍより低い値であり、本願のＭｇドープＧａＮ層１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１ｂとが交互に積層されてなるコンタクト層は低抵抗化にも有効であることが確認された。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る窒化物半導体素子は、上記ｐ型コンタクト層内にｐｎ接合が形成されているので、正の逆方向に電圧が印加された場合における静電破壊電圧（静電耐圧）を高くできかつリーク電流を小さくできる。
これにより、より高い静電耐圧が要求される用途に適用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子の模式的な断面図である。
【図２】本発明に係る実施例１の各サンプルの静電破壊電圧を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施例２の各サンプルの順方向電圧を示すグラフである。
【図４】実施例２の各サンプルの発光出力を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施例３の各サンプルの静電破壊電圧を示すグラフである。
【図６】本発明に係る実施例４の各サンプルの順方向電圧を示すグラフである。
【図７】実施例４の各サンプルの発光出力を示すグラフである。
【図８】実施例４の各サンプルの静電破壊電圧を示すグラフである。
【図９】本発明に係る実施例５の各サンプルの順方向電圧を示すグラフである。
【図１０】実施例５の各サンプルの発光出力を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例６の各サンプルの熱処理前後の抵抗率を示すグラフである。
【符号の説明】
１…サファイア基板、
２…バッファ層、
３…アンドープＧａＮ層、
４…ｎ型コンタクト層、
５…アンドープＧａＮ層、
６…ＳｉドープＧａＮ層、
７…アンドープＧａＮ層、
８…ＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子ｎ型層、
９…多重量子井戸構造の活性層、
１０…ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層、
１１…ＭｇドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ変調ドープｐ側コンタクト層、
１１ａ…ＭｇドープＧａＮ層、
１１ｂ…ＳｉドープＧａＮ層、
２１…ｎオーミック電極、
２２…ｐオーミック電極、
２３…ｐパッド電極。

Claims

それぞれ複数の窒化物半導体層からなるｐ側層とｎ側層の間に窒化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導体素子であって、
上記ｐ側層はｐオーミック電極を形成する層としてｐ型コンタクト層を含み、該ｐ型コンタクト層はｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層とが交互に積層されてなることを特徴とする窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層に対するｐ型窒化物半導体層の膜厚比（ｐ型窒化物半導体層の膜厚／ｎ型窒化物半導体層の膜厚）が１以上で９以下に設定された請求項１記載の窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層の膜厚が６０Å以下である請求項１又は２記載の窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層にはＳｉがドープされ、前記ｐ型窒化物半導体層にはＭｇがドープされている請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層はＳｉがドープされたＧａＮからなり、前記ｐ型窒化物半導体層はＭｇがドープされたＧａＮからなる請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層はアンドープ層であり、前記ｐ型窒化物半導体層にはＭｇがドープされている請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
前記ｎ型窒化物半導体層はアンドープＧａＮからなり、前記ｐ型窒化物半導体層はＭｇがドープされたＧａＮからなる請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。